高周波/マイクロ波無線周波数信号が PCB 回路では、回路自体と回路材料によって引き起こされる損失は、必然的に一定量の熱を発生させます。 損失が大きいほど、PCB材料を通過する電力が大きくなり、発生する熱が大きくなります。 回路の動作温度が定格値を超えると、回路に問題が発生する場合があります。 たとえば、PCBでよく知られている一般的な動作パラメータMOTは、最大動作温度です。 動作温度がMOTを超えると、PCB回路の性能と信頼性が脅かされます。 電磁モデリングと実験的測定の組み合わせにより、RFマイクロ波PCBの熱特性を理解することで、高温による回路性能の低下と信頼性の低下を回避できます。

回路材料で挿入損失がどのように発生するかを理解することは、高周波PCB回路の熱性能に関連する重要な要因をよりよく説明するのに役立ちます。 この記事では、マイクロストリップ伝送ライン回路を例として取り上げ、回路の熱性能に関連するトレードオフについて説明します。 両面PCB構造のマイクロストリップ回路では、損失には誘電損失、導体損失、放射損失、および漏れ損失が含まれます。 異なる損失成分の違いは大きいです。 いくつかの例外を除いて、高周波PCB回路のリーク損失は一般に非常に低いです。 この記事では、漏れ損失値が非常に低いため、当面は無視します。

放射線損失

放射損失は、動作周波数、回路基板の厚さ、PCB誘電率（比誘電率またはεr）、設計計画などの多くの回路パラメータに依存します。 設計スキームに関する限り、放射損失は、回路内のインピーダンス変換が不十分であること、または回路内の電磁波伝送の違いに起因することがよくあります。 回路インピーダンス変換領域には、通常、信号フィードイン領域、ステップインピーダンスポイント、スタブ、およびマッチングネットワークが含まれます。 合理的な回路設計により、スムーズなインピーダンス変換を実現し、回路の放射損失を低減できます。 もちろん、インピーダンスの不一致が回路のどのインターフェースでも放射損失につながる可能性があることを認識しておく必要があります。 動作周波数の観点から、通常、周波数が高いほど、回路の放射損失が大きくなります。

放射損失に関連する回路材料のパラメータは、主に誘電率とPCB材料の厚さです。 回路基板が厚いほど、放射損失を引き起こす可能性が高くなります。 PCB材料のεrが低いほど、回路の放射損失が大きくなります。 材料特性を包括的に計量し、薄い回路基板の使用は、低εr回路材料によって引き起こされる放射損失を相殺する方法として使用できます。 回路の放射損失に対する回路基板の厚さとεrの影響は、周波数に依存する関数であるためです。 回路基板の厚さが20milを超えず、動作周波数が20GHz未満の場合、回路の放射損失は非常に低くなります。 この記事の回路モデリングと測定周波数のほとんどは20GHz未満であるため、この記事の説明では、回路の加熱に対する放射損失の影響を無視します。

20GHz未満の放射損失を無視した後、マイクロストリップ伝送ライン回路の挿入損失には、主に誘電損失と導体損失の1つの部分が含まれます。 この50つの比率は、主に回路基板の厚さに依存します。 より薄い基板の場合、導体損失が主な要素です。 多くの理由から、導体損失を正確に予測することは一般に困難です。 たとえば、導体の表面粗さは電磁波の伝送特性に大きな影響を与えます。 銅箔の表面粗さは、マイクロストリップ回路の電磁波伝搬定数を変化させるだけでなく、回路の導体損失も増加させます。 表皮効果により、導体損失に対する銅箔の粗さの影響も周波数に依存します。 図6.6は、PCBの厚さがそれぞれ10ミルとXNUMXミルであることに基づいて、XNUMXオームのマイクロストリップ伝送ライン回路の挿入損失を比較しています。

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図1.さまざまな厚さのPCB材料に基づく50オームのマイクロストリップ伝送線路回路の比較

測定結果とシミュレーション結果

図1の曲線には、測定結果とシミュレーション結果が含まれています。 シミュレーション結果は、ロジャース社のMWI-2010マイクロ波インピーダンス計算ソフトウェアを使用して取得されます。 MWI-2010ソフトウェアは、マイクロストリップラインモデリングの分野の古典的な論文の分析方程式を引用しています。 図1のテストデータは、ベクトルネットワークアナライザの差動長測定法によって得られたものです。 図1から、全損失曲線のシミュレーション結果は基本的に測定結果と一致していることがわかります。 図から、より薄い回路の導体損失（左側の曲線は6.6ミルの厚さに対応）が総挿入損失の主成分であることがわかります。 回路の厚さが増すと（右側の曲線に対応する厚さは10mil）、誘電損失と導体損失が近づく傾向があり、このXNUMXつを合わせて合計挿入損失を構成します。

図1のシミュレーションモデルと実際の回路で使用される回路材料パラメータは、誘電率3.66、損失係数0.0037、および銅導体の表面粗さ2.8 umRMSです。 同じ回路材料の下で銅箔の表面粗さが減少すると、図6.6の10ミルおよび1ミル回路の導体損失が大幅に減少します。 ただし、20mil回路の場合の影響は明らかではありません。 図2は、粗さが異なる4350つの回路材料、つまり粗さが大きいRogersRO4350B™標準回路材料と粗さが小さいRogersROXNUMXBLoPro™回路材料のテスト結果を示しています。

図2は、滑らかな銅箔表面基板を使用してマイクロストリップ回路を処理する利点を示しています。 より薄い基板の場合、滑らかな銅箔を使用すると、挿入損失を大幅に減らすことができます。 6.6mil基板の場合、滑らかな銅箔を使用しているため、挿入損失は0.3GHzで20dB減少します。 10milの基板は0.22GHzで20dB減少します。 20milの基板では、挿入損失は0.11dBだけ減少します。

図1と図2に示すように、回路基板が薄いほど、回路の挿入損失が大きくなります。 これは、回路に一定量のRFマイクロ波電力が供給されると、回路が薄くなるほど、より多くの熱が発生することを意味します。 回路加熱の問題を包括的に検討する場合、一方では、より薄い回路は、高電力レベルで厚い回路よりも多くの熱を生成しますが、他方では、より薄い回路は、ヒートシンクを通るより効果的な熱流を得ることができます。 温度を比較的低く保ちます。

回路の加熱問題を解決するために、理想的な薄型回路は、回路材料の損失係数が低く、銅の薄い表面が滑らかで、εrが低く、熱伝導率が高いという特性を備えている必要があります。 高εrの回路材料と比較して、低εrの条件下で得られる同じインピーダンスの導体幅を大きくすることができ、これは回路の導体損失を減らすのに有益である。 回路の熱放散の観点から、ほとんどの高周波PCB回路基板は導体に比べて熱伝導率が非常に低いですが、回路材料の熱伝導率は依然として非常に重要なパラメータです。

回路基板の熱伝導率に関する多くの議論は以前の記事で詳しく説明されており、この記事では以前の記事からのいくつかの結果と情報を引用します。 たとえば、次の式と図3は、PCB回路材料の熱性能に関連する要因を理解するのに役立ちます。 この式で、kは熱伝導率（W / m / K）、Aは面積、THは熱源の温度、TCは冷熱源の温度、Lは熱源と熱源の間の距離です。コールドソース。