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.

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

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.

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.