Kai aukšto dažnio / mikrobangų radijo dažnio signalas tiekiamas į PCB grandinė, nuostoliai, kuriuos sukelia pati grandinė ir grandinės medžiaga, neišvengiamai generuos tam tikrą šilumos kiekį. Kuo didesni nuostoliai, tuo didesnė galia praeina per PCB medžiagą ir tuo didesnė generuojama šiluma. Kai grandinės darbinė temperatūra viršija vardinę vertę, grandinė gali sukelti tam tikrų problemų. Pavyzdžiui, tipinis veikimo parametras MOT, gerai žinomas PCB, yra maksimali darbinė temperatūra. Kai darbinė temperatūra viršija MOT, gali kilti pavojus PCB grandinės veikimui ir patikimumui. Derinant elektromagnetinį modeliavimą ir eksperimentinius matavimus, RF mikrobangų PCB šiluminių charakteristikų supratimas gali padėti išvengti grandinės veikimo ir patikimumo pablogėjimo dėl aukštos temperatūros.

Supratimas, kaip grandinės medžiagose atsiranda įterpimo nuostolių, padeda geriau apibūdinti svarbius veiksnius, susijusius su aukšto dažnio PCB grandinių šiluminėmis savybėmis. Šiame straipsnyje mikrojuostos perdavimo linijos grandinė bus kaip pavyzdys, kad būtų aptarti kompromisai, susiję su grandinės šiluminėmis charakteristikomis. Mikrojuostos grandinėje su dvipuse PCB struktūra nuostoliai apima dielektrinius nuostolius, laidininko nuostolius, radiacijos nuostolius ir nuotėkio nuostolius. Skirtumas tarp skirtingų nuostolių komponentų yra didelis. Išskyrus keletą išimčių, aukšto dažnio PCB grandinių nuotėkio nuostoliai paprastai yra labai maži. Šiame straipsnyje, kadangi nuotėkio nuostolių vertė yra labai maža, kol kas ji bus ignoruojama.

Radiacijos praradimas

Radiacijos nuostoliai priklauso nuo daugelio grandinės parametrų, tokių kaip veikimo dažnis, grandinės pagrindo storis, PCB dielektrinė konstanta (santykinė dielektrinė konstanta arba εr) ir projektinis planas. Kalbant apie projektavimo schemas, spinduliuotės nuostoliai dažnai atsiranda dėl prastos varžos transformacijos grandinėje arba elektromagnetinių bangų perdavimo grandinėje skirtumų. Grandinės impedanso transformacijos sritis paprastai apima signalo įvedimo sritį, pakopos varžos tašką, stuburo ir atitikimo tinklą. Protingas grandinės dizainas gali pasiekti sklandų impedanso transformaciją, taip sumažinant grandinės spinduliuotės nuostolius. Žinoma, reikia suvokti, kad bet kurioje grandinės sąsajoje yra impedanso neatitikimo galimybė, dėl kurios prarandama spinduliuotė. Kalbant apie veikimo dažnį, paprastai kuo didesnis dažnis, tuo didesnis grandinės spinduliuotės nuostolis.

Grandinės medžiagų parametrai, susiję su radiacijos nuostoliais, daugiausia yra dielektrinė konstanta ir PCB medžiagos storis. Kuo storesnis grandinės pagrindas, tuo didesnė radiacijos nuostolių tikimybė; kuo mažesnis PCB medžiagos εr, tuo didesni grandinės spinduliuotės nuostoliai. Visapusiškai sveriant medžiagos charakteristikas, plonų grandinės substratų naudojimas gali būti naudojamas kaip būdas kompensuoti spinduliuotės nuostolius, kuriuos sukelia mažos εr grandinės medžiagos. Grandinės pagrindo storio ir εr įtaka grandinės spinduliuotės nuostoliams yra todėl, kad tai yra nuo dažnio priklausoma funkcija. Kai grandinės pagrindo storis neviršija 20 mil, o veikimo dažnis yra mažesnis nei 20 GHz, grandinės spinduliuotės nuostoliai yra labai maži. Kadangi dauguma šiame straipsnyje pateiktų grandinės modeliavimo ir matavimo dažnių yra mažesni nei 20 GHz, šio straipsnio aptarimas nepaisys radiacijos nuostolių įtakos grandinės šildymui.

Neatsižvelgus į spinduliuotės nuostolius, mažesnius nei 20 GHz, mikrojuostos perdavimo linijos grandinės įterpimo nuostoliai daugiausia susideda iš dviejų dalių: dielektrinių nuostolių ir laidininko nuostolių. Šių dviejų dalių dalis daugiausia priklauso nuo grandinės pagrindo storio. Plonesniems pagrindams laidininko nuostoliai yra pagrindinis komponentas. Dėl daugelio priežasčių paprastai sunku tiksliai numatyti laidininko praradimą. Pavyzdžiui, laidininko paviršiaus šiurkštumas turi didžiulę įtaką elektromagnetinių bangų perdavimo charakteristikoms. Vario folijos paviršiaus šiurkštumas ne tik pakeis mikrojuostos grandinės elektromagnetinių bangų sklidimo konstantą, bet ir padidins grandinės laidininko nuostolius. Dėl odos efekto vario folijos šiurkštumo įtaka laidininko nuostoliams taip pat priklauso nuo dažnio. 1 paveiksle palyginamas 50 omų mikrojuostos perdavimo linijų grandinių įterpimo nuostolis, pagrįstas skirtingais PCB storiais, kurie yra atitinkamai 6.6 mylių ir 10 mylių.

25

1 pav. 50 omų mikrojuostelių perdavimo linijų grandinių, pagrįstų skirtingo storio PCB medžiagomis, palyginimas

Išmatuoti ir imituoti rezultatai

1 paveiksle pateiktoje kreivėje yra išmatuoti rezultatai ir modeliavimo rezultatai. Modeliavimo rezultatai gauti naudojant Rogers Corporation MWI-2010 mikrobangų varžos skaičiavimo programinę įrangą. MWI-2010 programinė įranga cituoja analitines lygtis, pateiktas klasikiniuose mikrojuostelių linijų modeliavimo straipsniuose. 1 paveiksle pateikti bandymo duomenys gauti vektorinio tinklo analizatoriaus diferencinio ilgio matavimo metodu. Iš 1 pav. matyti, kad bendro nuostolio kreivės modeliavimo rezultatai iš esmės atitinka išmatuotus rezultatus. Iš paveikslo matyti, kad plonesnės grandinės laidininko nuostoliai (kreivė kairėje atitinka 6.6 mil storį) yra pagrindinė viso įterpimo nuostolių sudedamoji dalis. Didėjant grandinės storiui (dešinę kreivę atitinkantis storis yra 10 mil), dielektriniai nuostoliai ir laidininko nuostoliai linkę artėti, o abu kartu sudaro bendrą įterpimo nuostolį.

Modeliavimo modelis 1 paveiksle ir grandinės medžiagos parametrai, naudojami tikroje grandinėje, yra šie: dielektrinė konstanta 3.66, nuostolių koeficientas 0.0037 ir vario laidininko paviršiaus šiurkštumas 2.8 um RMS. Sumažinus vario folijos paviršiaus šiurkštumą po ta pačia grandinės medžiaga, 6.6 mln. ir 10 mln. 1 pav. grandinių laidų nuostoliai bus žymiai sumažinti; tačiau poveikis nėra akivaizdus 20 mln. 2 paveiksle parodyti dviejų skirtingo šiurkštumo grandinės medžiagų, būtent Rogers RO4350B™ standartinės grandinės medžiagos su dideliu šiurkštumu ir Rogers RO4350B LoPro™ grandinės medžiagos su mažu šiurkštumu, bandymų rezultatai.

2 paveiksle pavaizduoti lygaus vario folijos paviršiaus substrato privalumai mikrojuostos grandinėms apdoroti. Plonesniems pagrindams naudojant lygią vario foliją galima žymiai sumažinti įterpimo nuostolius. 6.6 mil substrato įterpimo nuostoliai sumažėja 0.3 dB esant 20 GHz, nes naudojama lygi varinė folija; 10mil substratas sumažinamas 0.22 dB esant 20GHz; ir 20mil substrato, įterpimo nuostoliai sumažėja tik 0.11 dB.

Kaip parodyta 1 ir 2 paveiksluose, kuo plonesnis grandinės substratas, tuo didesnis grandinės įterpimo nuostolis. Tai reiškia, kad kai grandinė maitinama tam tikra RF mikrobangų galia, tuo plonesnė grandinė generuos daugiau šilumos. Visapusiškai įvertinus kontūro šildymo klausimą, viena vertus, plonesnė grandinė generuoja daugiau šilumos nei stora grandinė esant dideliam galios lygiui, tačiau, kita vertus, plonesnė grandinė gali gauti efektyvesnį šilumos srautą per šilumos kriaukle. Laikykite palyginti žemą temperatūrą.

Norint išspręsti grandinės šildymo problemą, ideali plona grandinė turėtų turėti šias charakteristikas: mažą grandinės medžiagos nuostolių koeficientą, lygų vario ploną paviršių, mažą εr ir didelį šilumos laidumą. Palyginti su didelės εr grandinės medžiaga, tos pačios varžos laidininko plotis, gautas esant žemai εr, gali būti didesnis, o tai naudinga mažinant grandinės laidininko nuostolius. Iš grandinės šilumos išsklaidymo perspektyvos, nors dauguma aukšto dažnio PCB grandinių substratų turi labai prastą šilumos laidumą, palyginti su laidininkais, grandinės medžiagų šilumos laidumas vis dar yra labai svarbus parametras.

Daug diskusijų apie grandinės substratų šilumos laidumą buvo išplėtota ankstesniuose straipsniuose, o šiame straipsnyje bus cituojami kai kurie ankstesnių straipsnių rezultatai ir informacija. Pavyzdžiui, ši lygtis ir 3 paveikslas padeda suprasti veiksnius, susijusius su PCB grandinės medžiagų šiluminėmis savybėmis. Lygtyje k yra šilumos laidumas (W/m/K), A yra plotas, TH yra šilumos šaltinio temperatūra, TC yra šalčio šaltinio temperatūra, o L yra atstumas tarp šilumos šaltinio ir šalčio šaltinis.