כאשר אות תדר רדיו בתדר גבוה/מיקרוגל מוזן לתוך PCB מעגל, האובדן הנגרם מהמעגל עצמו ומחומר המעגל ייצור בהכרח כמות מסוימת של חום. ככל שההפסד גדול יותר, כך ההספק העובר דרך חומר ה-PCB גבוה יותר והחום שנוצר גדול יותר. כאשר טמפרטורת הפעולה של המעגל עולה על הערך המדורג, המעגל עלול לגרום לבעיות מסוימות. לדוגמה, פרמטר ההפעלה האופייני MOT, המוכר היטב ב-PCB, הוא טמפרטורת הפעולה המקסימלית. כאשר טמפרטורת ההפעלה עולה על ה-MOT, הביצועים והאמינות של מעגל ה-PCB יהיו מאוימים. באמצעות השילוב של מודלים אלקטרומגנטיים ומדידות ניסיוניות, הבנת המאפיינים התרמיים של PCB מיקרוגל RF יכולה לעזור למנוע פגיעה בביצועי המעגל ופגיעה באמינות הנגרמת על ידי טמפרטורות גבוהות.

ההבנה כיצד מתרחש אובדן החדרה בחומרי מעגל עוזרת לתאר טוב יותר את הגורמים החשובים הקשורים לביצועים התרמיים של מעגלי PCB בתדר גבוה. מאמר זה ייקח את מעגל קו התמסורת המיקרו-סטריפ כדוגמה כדי לדון בפשרות הקשורות לביצועים התרמיים של המעגל. במעגל מיקרוסטריפ עם מבנה PCB דו צדדי, הפסדים כוללים אובדן דיאלקטרי, אובדן מוליך, אובדן קרינה ואובדן דליפה. ההבדל בין מרכיבי ההפסד השונים הוא גדול. למעט חריגים בודדים, אובדן הדליפה של מעגלי PCB בתדר גבוה הוא בדרך כלל נמוך מאוד. במאמר זה, מכיוון שערך אובדן הדליפה נמוך מאוד, יתעלם ממנו לעת עתה.

אובדן קרינה

Radiation loss depends on many circuit parameters such as operating frequency, circuit substrate thickness, PCB dielectric constant (relative dielectric constant or εr) and design plan. As far as design schemes are concerned, radiation loss often stems from poor impedance transformation in the circuit or electromagnetic waves in the circuit. The difference in transmission. Circuit impedance transformation area usually includes signal feed-in area, step impedance point, stub and matching network. Reasonable circuit design can realize smooth impedance transformation, thereby reducing the radiation loss of the circuit. Of course, it should be realized that there is the possibility of impedance mismatch leading to radiation loss at any interface of the circuit. From the point of view of operating frequency, usually the higher the frequency, the greater the radiation loss of the circuit.

הפרמטרים של חומרי מעגל הקשורים לאובדן קרינה הם בעיקר קבוע דיאלקטרי ועובי חומר PCB. ככל שמצע המעגל עבה יותר, כך גדלה האפשרות לגרום לאובדן קרינה; ככל שה-εr של חומר ה-PCB נמוך יותר, כך אובדן הקרינה של המעגל גדול יותר. בשקלול מקיף של מאפייני החומר, השימוש במצעי מעגל דק יכול לשמש כדרך לקזז את אובדן הקרינה הנגרם מחומרי מעגל εr נמוכים. ההשפעה של עובי מצע המעגל ו-εr על אובדן קרינת המעגל נובעת מכך שזוהי פונקציה תלוית תדר. כאשר עובי מצע המעגל אינו עולה על 20mil ותדר הפעולה נמוך מ-20GHz, אובדן הקרינה של המעגל נמוך מאוד. מכיוון שרוב תדרי המודלים והמדידה של המעגלים במאמר זה נמוכים מ-20GHz, הדיון במאמר זה יתעלם מהשפעת איבוד הקרינה על חימום המעגל.

לאחר התעלמות מאובדן הקרינה מתחת ל-20GHz, אובדן ההחדרה של מעגל קו תמסורת מיקרו-סטריפ כולל בעיקר שני חלקים: אובדן דיאלקטרי ואובדן מוליך. היחס בין השניים תלוי בעיקר בעובי מצע המעגל. עבור מצעים דקים יותר, אובדן מוליך הוא המרכיב העיקרי. מסיבות רבות, בדרך כלל קשה לחזות במדויק אובדן מוליך. לדוגמה, לחספוס פני השטח של מוליך יש השפעה עצומה על מאפייני השידור של גלים אלקטרומגנטיים. חספוס פני השטח של רדיד נחושת לא רק ישנה את קבוע התפשטות הגל האלקטרומגנטי של מעגל המיקרו-סטריפ, אלא גם יגדיל את אובדן המוליך של המעגל. בשל אפקט העור, ההשפעה של חספוס נייר הנחושת על אובדן המוליך תלויה גם בתדר. איור 1 משווה את אובדן ההחדרה של מעגלי קו תמסורת מיקרו-סטריפ של 50 אוהם בהתבסס על עובי PCB שונים, שהם 6.6 מיל ו-10 מיל, בהתאמה.

The simulation results are obtained using Rogers Corporation’s MWI-2010 microwave impedance calculation software. The MWI-2010 software quotes the analytical equations in the classic papers in the field of microstrip line modeling. The test data in Figure 1 is obtained by the differential length measurement method of a vector network analyzer. It can be seen from Fig. 1 that the simulation results of the total loss curve are basically consistent with the measured results. It can be seen from the figure that the conductor loss of the thinner circuit (the curve on the left corresponds to a thickness of 6.6 mil) is the main component of the total insertion loss. As the circuit thickness increases (the thickness corresponding to the curve on the right is 10mil), the dielectric loss and the conductor loss tend to approach, and the two together constitute the total insertion loss.

The circuit material parameters used in the simulation model and the actual circuit are: dielectric constant 3.66, loss factor 0.0037, and copper conductor surface roughness 2.8 um RMS. When the surface roughness of the copper foil under the same circuit material is reduced, the conductor loss of the 6.6 mil and 10 mil circuits in Figure 1 will be significantly reduced; however, the effect is not obvious for the 20 mil circuit. Figure 2 shows the test results of two circuit materials with different roughness, namely Rogers RO4350B™ standard circuit material with high roughness and Rogers RO4350B LoPro™ circuit material with low roughness.

For thinner substrates, the use of smooth copper foil can significantly reduce the insertion loss. For the 6.6mil substrate, the insertion loss is reduced by 0.3 dB due to the use of smooth copper foil at 20GHz; the 10mil substrate is reduced by 0.22 dB at 20GHz; and the 20mil substrate, the insertion loss is only reduced by 0.11 dB.

This means that when the circuit is fed with a certain amount of RF microwave power, the thinner the circuit will generate more heat. When comprehensively weighing the issue of circuit heating, on the one hand, a thinner circuit generates more heat than a thick circuit at high power levels, but on the other hand, a thinner circuit can obtain more effective heat flow through the heat sink. Keep the temperature relatively low.

על מנת לפתור את בעיית החימום של המעגל, המעגל הדק האידיאלי צריך להיות בעל המאפיינים הבאים: מקדם הפסד נמוך של חומר המעגל, משטח דק נחושת חלק, εr נמוך ומוליכות תרמית גבוהה. בהשוואה לחומר המעגל של εr גבוה, רוחב המוליך של אותה עכבה המתקבלת בתנאי εr נמוך יכול להיות גדול יותר, מה שמועיל להפחתת אובדן המוליך של המעגל. מנקודת המבט של פיזור חום במעגל, למרות שלרוב מצעי מעגל PCB בתדר גבוה יש מוליכות תרמית ירודה מאוד ביחס למוליכים, המוליכות התרמית של חומרי המעגל היא עדיין פרמטר חשוב מאוד.

הרבה דיונים על מוליכות תרמית של מצעי מעגל פורטו במאמרים קודמים, ומאמר זה יצטט כמה תוצאות ומידע ממאמרים קודמים. לדוגמה, המשוואה הבאה ואיור 3 מועילות להבנת הגורמים הקשורים לביצועים התרמיים של חומרי מעגל PCB. במשוואה, k היא המוליכות התרמית (W/m/K), A הוא השטח, TH היא הטמפרטורה של מקור החום, TC היא הטמפרטורה של מקור הקור, ו-L הוא המרחק בין מקור החום לבין מקור הקור.