고주파/마이크로파 무선 주파수 신호가 입력될 때 PCB 회로 자체와 회로 재료로 인한 손실은 필연적으로 일정량의 열을 발생시킵니다. 손실이 클수록 PCB 재료를 통과하는 전력이 높아져 발열량이 커집니다. 회로의 작동 온도가 정격 값을 초과하면 회로가 몇 가지 문제를 일으킬 수 있습니다. 예를 들어 PCB에서 잘 알려진 일반적인 작동 매개변수 MOT는 최대 작동 온도입니다. 작동 온도가 MOT를 초과하면 PCB 회로의 성능과 신뢰성이 위협받게 됩니다. 전자기 모델링과 실험 측정의 조합을 통해 RF 마이크로파 PCB의 열 특성을 이해하면 고온으로 인한 회로 성능 저하 및 신뢰성 저하를 방지할 수 있습니다.

회로 재료에서 삽입 손실이 어떻게 발생하는지 이해하면 고주파 PCB 회로의 열 성능과 관련된 중요한 요소를 더 잘 설명하는 데 도움이 됩니다. 이 기사에서는 회로의 열 성능과 관련된 절충 사항을 논의하기 위해 마이크로스트립 전송 라인 회로를 예로 들어 설명합니다. 양면 PCB 구조의 마이크로 스트립 회로에서 손실에는 유전 손실, 도체 손실, 복사 손실 및 누설 손실이 포함됩니다. 서로 다른 손실 구성 요소 간의 차이가 큽니다. 몇 가지 예외를 제외하고 고주파 PCB 회로의 누설 손실은 일반적으로 매우 낮습니다. 이 글에서는 누설 손실 값이 매우 낮기 때문에 당분간 무시합니다.

방사선 손실

복사 손실은 작동 주파수, 회로 기판 두께, PCB 유전 상수(상대 유전 상수 또는 εr) 및 설계 계획과 같은 많은 회로 매개변수에 따라 달라집니다. 설계 방식에 관한 한 방사 손실은 종종 회로의 불량한 임피던스 변환 또는 회로의 전자파 전송 차이로 인해 발생합니다. 회로 임피던스 변환 영역에는 일반적으로 신호 병입 영역, 스텝 임피던스 포인트, 스텁 및 매칭 네트워크가 포함됩니다. 합리적인 회로 설계는 원활한 임피던스 변환을 실현하여 회로의 방사 손실을 줄일 수 있습니다. 물론, 회로의 모든 인터페이스에서 방사 손실로 이어지는 임피던스 불일치 가능성이 있음을 인식해야 합니다. 작동 주파수의 관점에서 일반적으로 주파수가 높을수록 회로의 복사 손실이 커집니다.

방사선 손실과 관련된 회로 재료의 매개변수는 주로 유전 상수와 PCB 재료 두께입니다. 회로 기판이 두꺼울수록 복사 손실이 발생할 가능성이 커집니다. PCB 재료의 εr이 낮을수록 회로의 복사 손실이 커집니다. 재료 특성을 종합적으로 고려하면 얇은 회로 기판을 사용하여 낮은 εr 회로 재료로 인한 복사 손실을 상쇄할 수 있습니다. 회로 기판 두께와 εr이 회로 복사 손실에 미치는 영향은 주파수 종속 함수이기 때문입니다. 회로 기판의 두께가 20mil을 초과하지 않고 동작 주파수가 20GHz 미만인 경우 회로의 방사 손실이 매우 낮습니다. 이 기사의 대부분의 회로 모델링 및 측정 주파수는 20GHz보다 낮기 때문에 이 기사의 논의에서는 회로 가열에 대한 복사 손실의 영향을 무시합니다.

After ignoring the radiation loss below 20GHz, the insertion loss of a microstrip transmission line circuit mainly includes two parts: dielectric loss and conductor loss. The proportion of the two mainly depends on the thickness of the circuit substrate. For thinner substrates, conductor loss is the main component. For many reasons, it is generally difficult to accurately predict conductor loss. For example, the surface roughness of a conductor has a huge influence on the transmission characteristics of electromagnetic waves. The surface roughness of copper foil will not only change the electromagnetic wave propagation constant of the microstrip circuit, but also increase the conductor loss of the circuit. Due to the skin effect, the influence of copper foil roughness on conductor loss is also frequency-dependent. Figure 1 compares the insertion loss of 50 ohm microstrip transmission line circuits based on different PCB thicknesses, which are 6.6 mils and 10 mils, respectively

측정 및 시뮬레이션 결과

그림 1의 곡선은 측정 결과와 시뮬레이션 결과를 담고 있습니다. 시뮬레이션 결과는 Rogers Corporation의 MWI-2010 마이크로웨이브 임피던스 계산 소프트웨어를 사용하여 얻습니다. MWI-2010 소프트웨어는 마이크로스트립 라인 모델링 분야의 고전 논문에서 분석 방정식을 인용합니다. 그림 1의 테스트 데이터는 벡터 네트워크 분석기의 차동 길이 측정 방법에 의해 얻어진다. 총 손실 곡선의 시뮬레이션 결과는 기본적으로 측정 결과와 일치함을 Fig. 1에서 알 수 있다. 그림에서 더 얇은 회로의 도체 손실(왼쪽 곡선은 6.6mil의 두께에 해당)이 전체 삽입 손실의 주요 구성 요소임을 알 수 있습니다. 회로 두께가 증가함에 따라(오른쪽 곡선에 해당하는 두께가 10mil) 유전 손실과 도체 손실이 가까워지는 경향이 있으며 이 둘을 합하여 총 삽입 손실을 구성합니다.

그림 1의 시뮬레이션 모델과 실제 회로에 사용된 회로 재료 매개변수는 유전 상수 3.66, 손실 계수 0.0037, 구리 도체 표면 거칠기 2.8um RMS입니다. 동일한 회로 재료 아래에서 구리박의 표면 거칠기가 감소하면 그림 6.6의 10mil 및 1mil 회로의 도체 손실이 크게 감소합니다. 그러나 20mil 회로의 경우 효과가 명확하지 않습니다. 그림 2는 조도가 다른 두 개의 회로 재료, 즉 조도가 높은 Rogers RO4350B™ 표준 회로 재료와 조도가 낮은 Rogers RO4350B LoPro™ 회로 재료의 테스트 결과를 보여줍니다.

도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 회로 기판이 얇을수록 회로의 삽입 손실이 높아진다. 이것은 회로에 특정 양의 RF 마이크로파 전력이 공급될 때 회로가 얇을수록 더 많은 열이 발생한다는 것을 의미합니다. 회로 가열 문제를 종합적으로 고려할 때, 한편으로는 더 얇은 회로가 고전력 수준에서 두꺼운 회로보다 더 많은 열을 생성하지만 다른 한편으로는 더 얇은 회로가 방열판을 통해 더 효과적인 열 흐름을 얻을 수 있습니다. 온도를 비교적 낮게 유지하십시오.

회로의 발열 문제를 해결하기 위해 이상적인 얇은 회로는 회로 재료의 낮은 손실 계수, 매끄러운 구리 얇은 표면, 낮은 εr 및 높은 열전도율과 같은 특성을 가져야 합니다. 높은 εr의 회로 재료와 비교하여 낮은 εr 조건에서 얻은 동일한 임피던스의 도체 폭은 더 클 수 있으므로 회로의 도체 손실을 줄이는 데 유리합니다. 회로 방열의 관점에서 볼 때 대부분의 고주파 PCB 회로 기판은 도체에 비해 열전도율이 매우 낮지만 회로 재료의 열전도율은 여전히 ​​매우 중요한 매개변수입니다.

회로 기판의 열전도율에 대한 많은 논의가 이전 기사에서 자세히 설명되었으며 이 기사에서는 이전 기사의 일부 결과와 정보를 인용합니다. 예를 들어 다음 방정식과 그림 3은 PCB 회로 재료의 열 성능과 관련된 요소를 이해하는 데 도움이 됩니다. 식에서 k는 열전도율(W/m/K), A는 면적, TH는 열원의 온도, TC는 냉원의 온도, L은 열원과 열원 사이의 거리 차가운 근원.