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

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.

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.

20GHz 이하의 복사 손실을 무시하면 마이크로 스트립 전송 라인 회로의 삽입 손실은 주로 유전 손실과 도체 손실의 두 부분으로 구성됩니다. 둘의 비율은 주로 회로 기판의 두께에 따라 다릅니다. 더 얇은 기판의 경우 도체 손실이 주요 구성 요소입니다. 여러 가지 이유로 도체 손실을 정확하게 예측하는 것은 일반적으로 어렵습니다. 예를 들어, 도체의 표면 거칠기는 전자파의 전송 특성에 큰 영향을 미칩니다. 동박의 표면 거칠기는 마이크로 스트립 회로의 전자파 전파 상수를 변경할 뿐만 아니라 회로의 도체 손실을 증가시킵니다. 표피 효과로 인해 도체 손실에 대한 구리 호일 거칠기의 영향도 주파수에 따라 달라집니다. 그림 1은 각각 50mils와 6.6mils인 서로 다른 PCB 두께를 기반으로 한 10ohm 마이크로스트립 전송 라인 회로의 삽입 손실을 비교한 것입니다.

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.

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.