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

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.

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.

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.

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.