Kad augstfrekvences/mikroviļņu radiofrekvences signāls tiek ievadīts ierīcē PCB ķēde, pašas ķēdes un ķēdes materiāla radītie zaudējumi neizbēgami radīs noteiktu siltuma daudzumu. Jo lielāki zudumi, jo lielāka jauda, ​​kas iet caur PCB materiālu, un jo lielāks ir radītais siltums. Ja ķēdes darba temperatūra pārsniedz nominālo vērtību, ķēde var radīt dažas problēmas. Piemēram, tipiskais darbības parametrs MOT, kas ir labi zināms PCB, ir maksimālā darba temperatūra. Ja darba temperatūra pārsniedz MOT, tiks apdraudēta PCB ķēdes veiktspēja un uzticamība. Apvienojot elektromagnētisko modelēšanu un eksperimentālos mērījumus, izpratne par RF mikroviļņu PCB termiskajām īpašībām var palīdzēt izvairīties no ķēdes veiktspējas un uzticamības pasliktināšanās, ko izraisa augsta temperatūra.

Izpratne par to, kā ķēdes materiālos rodas ievietošanas zudumi, palīdz labāk aprakstīt svarīgos faktorus, kas saistīti ar augstfrekvences PCB ķēžu termisko veiktspēju. Šajā rakstā kā piemērs tiks ņemta mikrosloksnes pārvades līnijas ķēde, lai apspriestu kompromisus, kas saistīti ar ķēdes termisko veiktspēju. Mikrosloksnes shēmā ar abpusēju PCB struktūru zudumi ietver dielektriskos zudumus, vadītāja zudumus, starojuma zudumus un noplūdes zudumus. Atšķirība starp dažādiem zaudējumu komponentiem ir liela. Ar dažiem izņēmumiem augstfrekvences PCB ķēžu noplūdes zudumi parasti ir ļoti zemi. Šajā rakstā, tā kā noplūdes zuduma vērtība ir ļoti zema, tā pagaidām tiks ignorēta.

Radiācijas zudums

Radiācijas zudumi ir atkarīgi no daudziem ķēdes parametriem, piemēram, darba frekvences, ķēdes substrāta biezuma, PCB dielektriskās konstantes (relatīvā dielektriskā konstante jeb εr) un projektēšanas plāna. Ciktāl tas attiecas uz projektēšanas shēmām, radiācijas zudumi bieži rodas no sliktas pretestības transformācijas ķēdē vai atšķirībām elektromagnētisko viļņu pārraidē ķēdē. Ķēdes impedances transformācijas apgabalā parasti ietilpst signāla ievades zona, pakāpeniskas pretestības punkts, stubs un atbilstošs tīkls. Saprātīgs ķēdes dizains var realizēt vienmērīgu pretestības transformāciju, tādējādi samazinot ķēdes starojuma zudumus. Protams, ir jāsaprot, ka pastāv pretestības nesakritības iespēja, kas izraisa starojuma zudumu jebkurā ķēdes saskarnē. No darba frekvences viedokļa parasti jo augstāka frekvence, jo lielāks ir ķēdes starojuma zudums.

Ķēdes materiālu parametri, kas saistīti ar starojuma zudumu, galvenokārt ir dielektriskā konstante un PCB materiāla biezums. Jo biezāks ir ķēdes substrāts, jo lielāka iespēja izraisīt starojuma zudumus; jo mazāks ir PCB materiāla εr, jo lielāks ir ķēdes starojuma zudums. Visaptveroši sverot materiāla raksturlielumus, plānu ķēdes substrātu izmantošanu var izmantot kā veidu, kā kompensēt starojuma zudumus, ko izraisa zema εr ķēdes materiāli. Ķēdes substrāta biezuma un εr ietekme uz ķēdes starojuma zudumiem ir tāpēc, ka tā ir no frekvences atkarīga funkcija. Ja ķēdes substrāta biezums nepārsniedz 20 mil un darbības frekvence ir zemāka par 20 GHz, ķēdes starojuma zudumi ir ļoti zemi. Tā kā lielākā daļa ķēžu modelēšanas un mērīšanas frekvenču šajā rakstā ir zemākas par 20 GHz, šī raksta diskusijā tiks ignorēta radiācijas zuduma ietekme uz ķēdes apkuri.

Ignorējot starojuma zudumus zem 20 GHz, mikrosloksnes pārvades līnijas ķēdes ievietošanas zudumi galvenokārt ietver divas daļas: dielektrisko zudumu un vadītāja zudumu. Abu proporcija galvenokārt ir atkarīga no ķēdes pamatnes biezuma. Plānākiem substrātiem galvenā sastāvdaļa ir vadītāju zudumi. Daudzu iemeslu dēļ parasti ir grūti precīzi paredzēt vadītāja zudumu. Piemēram, vadītāja virsmas raupjumam ir milzīga ietekme uz elektromagnētisko viļņu pārraides īpašībām. Vara folijas virsmas raupjums ne tikai mainīs mikrosloksnes ķēdes elektromagnētisko viļņu izplatīšanās konstanti, bet arī palielinās ķēdes vadītāja zudumu. Ādas efekta dēļ vara folijas raupjuma ietekme uz vadītāja zudumu arī ir atkarīga no frekvences. 1. attēlā ir salīdzināts 50 omu mikrosloksnes pārvades līniju ķēžu ievietošanas zudums, pamatojoties uz dažādiem PCB biezumiem, kas ir attiecīgi 6.6 jūdzes un 10 jūdzes.

25

1. attēls. 50 omu mikrosloksnes pārvades līniju ķēžu salīdzinājums, pamatojoties uz dažāda biezuma PCB materiāliem

Mērītie un simulētie rezultāti

Līkne 1. attēlā satur izmērītos rezultātus un simulācijas rezultātus. Simulācijas rezultāti iegūti, izmantojot Rogers Corporation MWI-2010 mikroviļņu pretestības aprēķina programmatūru. Programmatūra MWI-2010 citē analītiskos vienādojumus klasiskajos rakstos mikroslokšņu līniju modelēšanas jomā. Testa dati 1. attēlā iegūti ar vektoru tīkla analizatora diferenciālā garuma mērīšanas metodi. No 1. att. redzams, ka kopējo zaudējumu līknes simulācijas rezultāti pamatā atbilst izmērītajiem rezultātiem. No attēla var redzēt, ka plānākas ķēdes vadītāja zudums (līkne kreisajā pusē atbilst 6.6 milj. biezumam) ir kopējā ievietošanas zuduma galvenā sastāvdaļa. Palielinoties ķēdes biezumam (biezums, kas atbilst līknei labajā pusē, ir 10 milimetri), dielektriskie zudumi un vadītāja zudumi mēdz tuvoties, un abi kopā veido kopējo ievietošanas zudumu.

Simulācijas modelis 1. attēlā un faktiskajā ķēdē izmantotie ķēdes materiāla parametri ir: dielektriskā konstante 3.66, zudumu koeficients 0.0037 un vara vadītāja virsmas raupjums 2.8 um RMS. Samazinot vara folijas virsmas raupjumu zem viena un tā paša ķēdes materiāla, 6.6. attēlā redzamo 10 milj un 1 milj. ķēžu vadītāju zudumi tiks ievērojami samazināti; tomēr efekts nav acīmredzams 20 milj. ķēdei. 2. attēlā parādīti testa rezultāti diviem ķēdes materiāliem ar atšķirīgu raupjumu, proti, Rogers RO4350B™ standarta ķēdes materiālu ar augstu raupjumu un Rogers RO4350B LoPro™ ķēdes materiālu ar zemu raupjumu.

2. attēlā parādītas priekšrocības, ko sniedz gludas vara folijas virsmas substrāta izmantošana mikroslokšņu ķēžu apstrādei. Plānākiem substrātiem gludas vara folijas izmantošana var ievērojami samazināt ievietošanas zudumus. 6.6 milimetru substrātam ievietošanas zudumi tiek samazināti par 0.3 dB pie 20 GHz, jo tiek izmantota gluda vara folija; 10mil substrāts tiek samazināts par 0.22 dB pie 20 GHz; un 20mil substrātam, ievietošanas zudumi tiek samazināti tikai par 0.11 dB.

Kā parādīts 1. un 2. attēlā, jo plānāks ir ķēdes substrāts, jo lielāks ir ķēdes ievietošanas zudums. Tas nozīmē, ka, ja ķēde tiek barota ar noteiktu RF mikroviļņu jaudu, jo plānāka ķēde radīs vairāk siltuma. Vispusīgi izsverot ķēdes apkures jautājumu, no vienas puses, plānāks kontūrs ģenerē vairāk siltuma nekā biezs kontūrs pie lieliem jaudas līmeņiem, bet, no otras puses, plānāks kontūrs var iegūt efektīvāku siltuma plūsmu caur siltuma izlietni. Saglabājiet relatīvi zemu temperatūru.

Lai atrisinātu ķēdes sildīšanas problēmu, ideālajai plānajai ķēdei jābūt ar šādiem raksturlielumiem: ķēdes materiāla zems zudumu koeficients, gluda vara plāna virsma, zems εr un augsta siltumvadītspēja. Salīdzinot ar ķēdes materiālu ar augstu εr, tādas pašas pretestības vadītāja platums, kas iegūts zemas εr apstākļos, var būt lielāks, kas ir izdevīgi, lai samazinātu ķēdes vadītāja zudumus. No ķēdes siltuma izkliedes viedokļa, lai gan lielākajai daļai augstfrekvences PCB ķēžu substrātu ir ļoti slikta siltumvadītspēja salīdzinājumā ar vadītājiem, ķēdes materiālu siltumvadītspēja joprojām ir ļoti svarīgs parametrs.

Daudzas diskusijas par ķēžu substrātu siltumvadītspēju ir apspriestas iepriekšējos rakstos, un šajā rakstā tiks citēti daži rezultāti un informācija no iepriekšējiem rakstiem. Piemēram, šāds vienādojums un 3. attēls ir noderīgi, lai izprastu faktorus, kas saistīti ar PCB ķēžu materiālu siltuma veiktspēju. Vienādojumā k ir siltumvadītspēja (W/m/K), A ir laukums, TH ir siltuma avota temperatūra, TC ir aukstuma avota temperatūra, un L ir attālums starp siltuma avotu un aukstuma avots.