Кога сигналот за радиофреквенција со висока фреквенција/микробранова се внесува во ПХБ коло, загубата предизвикана од самото коло и материјалот на колото неизбежно ќе генерира одредена количина на топлина. Колку е поголема загубата, толку е поголема моќноста што минува низ материјалот од ПХБ и толку е поголема генерираната топлина. Кога работната температура на колото ја надминува номиналната вредност, колото може да предизвика некои проблеми. На пример, типичниот работен параметар MOT, кој е добро познат кај ПХБ, е максималната работна температура. Кога работната температура ќе ја надмине МОТ, ќе бидат загрозени перформансите и доверливоста на колото на ПХБ. Преку комбинација на електромагнетно моделирање и експериментални мерења, разбирањето на термичките карактеристики на RF микробрановите ПХБ може да помогне да се избегне деградација на перформансите на колото и влошување на доверливоста предизвикани од високите температури.

Разбирањето како се јавува загубата при вметнување во материјалите на кола помага подобро да се опишат важните фактори поврзани со топлинските перформанси на високофреквентните PCB кола. Оваа статија ќе го земе колото на далноводот со микроленти како пример за да разговара за компромисите поврзани со топлинските перформанси на колото. Во коло со микроленти со двострана структура на ПХБ, загубите вклучуваат загуба на диелектрик, загуба на проводник, загуба на зрачење и загуба од истекување. Разликата помеѓу различните компоненти на загубата е голема. Со неколку исклучоци, загубата од истекување на високофреквентните PCB кола е генерално многу мала. Во оваа статија, бидејќи вредноста на загубата од истекување е многу мала, таа засега ќе биде игнорирана.

Губење на зрачење

Загубата на зрачење зависи од многу параметри на колото како што се работната фреквенција, дебелината на подлогата на колото, диелектричната константа на ПХБ (релативна диелектрична константа или εr) и планот за дизајнирање. Што се однесува до дизајнерските шеми, загубата на зрачење често произлегува од лошата трансформација на импедансата во колото или разликите во преносот на електромагнетни бранови во колото. Областа за трансформација на импедансата на колото обично вклучува област за внесување сигнал, точка на импеданса на чекор, никулец и мрежа за појавување. Разумниот дизајн на колото може да реализира непречена трансформација на импедансата, со што се намалува загубата на зрачење на колото. Се разбира, треба да се сфати дека постои можност за несовпаѓање на импедансата што доведува до губење на зрачење на кој било интерфејс на колото. Од гледна точка на работната фреквенција, обично колку е поголема фреквенцијата, толку е поголема загубата на зрачење на колото.

Параметрите на материјалите на колото поврзани со загубата на зрачење се главно диелектрична константа и дебелина на материјалот на ПХБ. Колку е подебела подлогата на колото, толку е поголема можноста да се предизвика загуба на зрачење; колку е помал εr на материјалот од ПХБ, толку е поголема загубата на зрачење на колото. Сеопфатно мерејќи ги карактеристиките на материјалот, употребата на подлоги од тенко коло може да се користи како начин да се надомести загубата на зрачење предизвикана од материјали со ниско коло. Влијанието на дебелината на подлогата на колото и εr врз загубата на зрачење на колото е затоа што тоа е функција зависна од фреквенцијата. Кога дебелината на подлогата на колото не надминува 20 mil и работната фреквенција е помала од 20 GHz, загубата на зрачење на колото е многу мала. Бидејќи повеќето од фреквенциите за моделирање и мерење на кола во овој напис се пониски од 20 GHz, дискусијата во оваа статија ќе го игнорира влијанието на загубата на зрачење врз загревањето на колото.

По игнорирањето на загубата на зрачење под 20 GHz, загубата на вметнување на колото на далноводот со микроленти главно вклучува два дела: загуба на диелектрик и загуба на проводникот. Пропорцијата на двете главно зависи од дебелината на подлогата на колото. За потенки подлоги, загубата на проводникот е главната компонента. Поради многу причини, генерално е тешко точно да се предвиди загубата на проводникот. На пример, грубоста на површината на проводникот има огромно влијание врз преносните карактеристики на електромагнетните бранови. Грубоста на површината на бакарната фолија не само што ќе ја промени константата на ширење на електромагнетниот бран на колото на микролентата, туку и ќе ја зголеми загубата на проводникот на колото. Поради ефектот на кожата, влијанието на грубоста на бакарната фолија врз загубата на проводникот е исто така зависно од фреквенцијата. Слика 1 ја споредува загубата на вметнување на кола за далноводи со микроленти од 50 оми врз основа на различни дебелини на ПХБ, кои се 6.6 милји и 10 мили, соодветно.

25

Слика 1. Споредба на кола далноводи со микроленти од 50 оми врз основа на ПХБ материјали со различни дебелини

Измерени и симулирани резултати

Кривата на слика 1 ги содржи измерените резултати и резултатите од симулацијата. Резултатите од симулацијата се добиени со користење на софтверот за пресметување на микробранова импеданса MWI-2010 на Rogers Corporation. Софтверот MWI-2010 ги цитира аналитичките равенки во класичните трудови од областа на моделирање на линии со микроленти. Податоците од тестот на слика 1 се добиени со методот на мерење на диференцијална должина на анализатор на векторска мрежа. Од Сл. 1 може да се види дека резултатите од симулацијата на кривата на вкупната загуба во основа се конзистентни со измерените резултати. Од сликата може да се види дека загубата на проводникот на потенкото коло (кривата лево одговара на дебелина од 6.6 мил.) е главната компонента на вкупната загуба на вметнување. Како што се зголемува дебелината на колото (дебелината што одговара на кривата на десната страна е 10 мил), загубата на диелектрикот и загубата на проводникот имаат тенденција да се приближуваат, а двете заедно ја сочинуваат вкупната загуба на вметнување.

Моделот за симулација на слика 1 и параметрите на материјалот на колото користени во вистинското коло се: диелектрична константа 3.66, фактор на загуба 0.0037 и грубост на површината на бакарниот проводник 2.8 um RMS. Кога ќе се намали грубоста на површината на бакарната фолија под истиот материјал на колото, загубата на проводникот на колата од 6.6 mil и 10 mil на слика 1 значително ќе се намали; сепак, ефектот не е очигледен за колото од 20 мил. Слика 2 ги прикажува резултатите од тестот на два материјали на кола со различна грубост, имено Rogers RO4350B™ стандарден материјал за коло со висока грубост и Rogers RO4350B LoPro™ материјал на коло со мала грубост.

Слика 2 ги прикажува предностите од користењето на мазна подлога на површината од бакарна фолија за обработка на кола со микроленти. За потенки подлоги, употребата на мазна бакарна фолија може значително да ја намали загубата на вметнување. За подлогата од 6.6 mil, загубата на вметнување е намалена за 0.3 dB на 20 GHz поради употребата на мазна бакарна фолија; подлогата од 10 мил е намалена за 0.22 dB на 20 GHz; и подлогата од 20 мил, загубата на вметнување се намалува само за 0.11 dB.

Како што е прикажано на слика 1 и слика 2, колку е потенка подлогата на колото, толку е поголема загубата на колото при вметнување. Ова значи дека кога колото се напојува со одредена количина на RF микробранова моќност, толку потенко колото ќе генерира повеќе топлина. Кога сеопфатно се проценува прашањето за греењето на колото, од една страна, потенкото коло генерира повеќе топлина од дебелото коло на високи нивоа на моќност, но од друга страна, потенкото коло може да добие поефикасен проток на топлина низ ладилникот. Одржувајте ја температурата релативно ниска.

За да се реши проблемот со греењето на колото, идеалното тенко коло треба да ги има следните карактеристики: низок фактор на загуби на материјалот на колото, мазна бакарна тенка површина, ниска εr и висока топлинска спроводливост. Во споредба со материјалот на колото со висок εr, ширината на проводникот со истата импеданса добиена под услов на ниска εr може да биде поголема, што е корисно за намалување на загубата на проводникот на колото. Од гледна точка на дисипација на топлина на колото, иако повеќето високофреквентни подлоги на кола со ПХБ имаат многу слаба топлинска спроводливост во однос на спроводниците, топлинската спроводливост на материјалите од колото е сè уште многу важен параметар.

Многу дискусии за топлинската спроводливост на подлогите на колото се елаборирани во претходните написи, а оваа статија ќе цитира некои резултати и информации од претходните статии. На пример, следнава равенка и слика 3 се корисни за да се разберат факторите поврзани со топлинската изведба на материјалите од колото на ПХБ. Во равенката, k е топлинска спроводливост (W/m/K), A е површината, TH е температурата на изворот на топлина, TC е температурата на ладниот извор, а L е растојанието помеѓу изворот на топлина и изворот на студ.