Wanneer het hoogfrequente/magnetron radiofrequentiesignaal wordt ingevoerd in de PCB circuit, zal het verlies veroorzaakt door het circuit zelf en het circuitmateriaal onvermijdelijk een bepaalde hoeveelheid warmte genereren. Hoe groter het verlies, hoe hoger het vermogen dat door het PCB-materiaal gaat en hoe groter de gegenereerde warmte. Wanneer de bedrijfstemperatuur van het circuit de nominale waarde overschrijdt, kan het circuit problemen veroorzaken. De typische bedrijfsparameter MOT, die goed bekend is in PCB’s, is bijvoorbeeld de maximale bedrijfstemperatuur. Wanneer de bedrijfstemperatuur de APK overschrijdt, komen de prestaties en betrouwbaarheid van het PCB-circuit in gevaar. Door de combinatie van elektromagnetische modellering en experimentele metingen, kan het begrijpen van de thermische eigenschappen van RF-microgolf-PCB’s helpen om achteruitgang van de circuitprestaties en achteruitgang van de betrouwbaarheid als gevolg van hoge temperaturen te voorkomen.

Begrijpen hoe invoegverlies optreedt in circuitmaterialen helpt om de belangrijke factoren die verband houden met de thermische prestaties van hoogfrequente PCB-circuits beter te beschrijven. In dit artikel wordt het microstrip-transmissielijncircuit als voorbeeld genomen om de afwegingen met betrekking tot de thermische prestaties van het circuit te bespreken. In een microstripcircuit met een dubbelzijdige PCB-structuur omvatten verliezen diëlektrisch verlies, geleiderverlies, stralingsverlies en lekverlies. Het verschil tussen de verschillende verliescomponenten is groot. Op enkele uitzonderingen na is het lekverlies van hoogfrequente PCB-circuits over het algemeen erg laag. Omdat de lekverlieswaarde in dit artikel erg laag is, wordt deze voorlopig buiten beschouwing gelaten.

stralingsverlies

Stralingsverlies is afhankelijk van veel circuitparameters, zoals de werkfrequentie, de dikte van het circuitsubstraat, de diëlektrische constante van de PCB (relatieve diëlektrische constante of εr) en het ontwerpplan. Wat ontwerpschema’s betreft, komt stralingsverlies vaak voort uit een slechte impedantietransformatie in het circuit of verschillen in de transmissie van elektromagnetische golven in het circuit. Het circuitimpedantietransformatiegebied omvat meestal het signaalinvoergebied, het stapimpedantiepunt, de stub en het bijpassende netwerk. Een redelijk circuitontwerp kan een soepele impedantietransformatie realiseren, waardoor het stralingsverlies van het circuit wordt verminderd. Men dient zich natuurlijk te realiseren dat er een kans bestaat op een misaanpassing van de impedantie die leidt tot stralingsverlies op elk grensvlak van de schakeling. Vanuit het oogpunt van de werkfrequentie geldt gewoonlijk hoe hoger de frequentie, hoe groter het stralingsverlies van het circuit.

De parameters van circuitmaterialen die verband houden met stralingsverlies zijn voornamelijk diëlektrische constante en PCB-materiaaldikte. Hoe dikker het circuitsubstraat, hoe groter de kans op stralingsverlies; hoe lager de εr van het PCB-materiaal, hoe groter het stralingsverlies van de schakeling. Door materiaalkenmerken uitgebreid te wegen, kan het gebruik van dunne circuitsubstraten worden gebruikt als een manier om het stralingsverlies te compenseren dat wordt veroorzaakt door circuitmaterialen met een lage εr. De invloed van de dikte van het circuitsubstraat en εr op het stralingsverlies van het circuit is omdat het een frequentieafhankelijke functie is. Wanneer de dikte van het circuitsubstraat niet groter is dan 20 mil en de werkfrequentie lager is dan 20 GHz, is het stralingsverlies van het circuit erg laag. Aangezien de meeste circuitmodellerings- en meetfrequenties in dit artikel lager zijn dan 20GHz, negeert de bespreking in dit artikel de invloed van stralingsverlies op circuitverwarming.

Na het negeren van het stralingsverlies onder 20 GHz, omvat het invoegverlies van een microstrip-transmissielijncircuit hoofdzakelijk twee delen: diëlektrisch verlies en geleiderverlies. Het aandeel van de twee hangt voornamelijk af van de dikte van het circuitsubstraat. Voor dunnere substraten is geleiderverlies de belangrijkste component. Om vele redenen is het over het algemeen moeilijk om geleiderverlies nauwkeurig te voorspellen. Zo heeft de oppervlakteruwheid van een geleider een enorme invloed op de transmissie-eigenschappen van elektromagnetische golven. De oppervlakteruwheid van koperfolie zal niet alleen de voortplantingsconstante van de elektromagnetische golven van het microstripcircuit veranderen, maar ook het geleiderverlies van het circuit vergroten. Door het skin-effect is de invloed van koperfolieruwheid op geleiderverlies ook frequentieafhankelijk. Figuur 1 vergelijkt het invoegverlies van 50 ohm microstrip-transmissielijncircuits op basis van verschillende PCB-diktes, die respectievelijk 6.6 mils en 10 mils zijn.

25

Figuur 1. Vergelijking van 50 ohm microstrip transmissielijncircuits op basis van PCB-materialen van verschillende diktes

Gemeten en gesimuleerde resultaten

De curve in figuur 1 bevat de meetresultaten en simulatieresultaten. De simulatieresultaten worden verkregen met behulp van Rogers Corporation’s MWI-2010 microgolfimpedantieberekeningssoftware. De MWI-2010-software citeert de analytische vergelijkingen in de klassieke artikelen op het gebied van microstriplijnmodellering. De testgegevens in figuur 1 worden verkregen door de differentiële lengtemeetmethode van een vectornetwerkanalysator. Uit figuur 1 blijkt dat de simulatieresultaten van de totale verliescurve in principe consistent zijn met de gemeten resultaten. Uit de figuur blijkt dat het geleiderverlies van de dunnere schakeling (de curve aan de linkerkant komt overeen met een dikte van 6.6 mil) de belangrijkste component is van het totale invoegverlies. Naarmate de dikte van het circuit toeneemt (de dikte die overeenkomt met de curve aan de rechterkant is 10 mil), hebben het diëlektrische verlies en het verlies van de geleider de neiging om dichterbij te komen, en de twee vormen samen het totale invoegverlies.

Het simulatiemodel in figuur 1 en de circuitmateriaalparameters die in het eigenlijke circuit worden gebruikt, zijn: diëlektrische constante 3.66, verliesfactor 0.0037 en koperen geleider oppervlakteruwheid 2.8 um RMS. Wanneer de oppervlakteruwheid van de koperfolie onder hetzelfde circuitmateriaal wordt verminderd, zal het geleiderverlies van de circuits van 6.6 mil en 10 mil in figuur 1 aanzienlijk worden verminderd; het effect is echter niet duidelijk voor het 20 mil-circuit. Afbeelding 2 toont de testresultaten van twee circuitmaterialen met verschillende ruwheid, namelijk Rogers RO4350B™ standaard circuitmateriaal met hoge ruwheid en Rogers RO4350B LoPro™ circuitmateriaal met lage ruwheid.

Figuur 2 toont de voordelen van het gebruik van een glad oppervlak van koperfolie om microstripcircuits te verwerken. Voor dunnere substraten kan het gebruik van gladde koperfolie het inbrengverlies aanzienlijk verminderen. Voor het 6.6 mil-substraat wordt het invoegverlies verminderd met 0.3 dB bij 20GHz door het gebruik van gladde koperfolie; het 10mil-substraat wordt verminderd met 0.22 dB bij 20GHz; en het 20 mil-substraat, wordt het invoegverlies slechts met 0.11 dB verminderd.

Zoals getoond in figuur 1 en figuur 2, hoe dunner het circuitsubstraat, hoe hoger het invoegverlies van het circuit. Dit betekent dat wanneer het circuit wordt gevoed met een bepaalde hoeveelheid RF-microgolfvermogen, hoe dunner het circuit meer warmte zal genereren. Bij een uitgebreide afweging van de kwestie van circuitverwarming genereert enerzijds een dunner circuit meer warmte dan een dik circuit bij hoge vermogensniveaus, maar aan de andere kant kan een dunner circuit een effectievere warmtestroom door het koellichaam verkrijgen. Houd de temperatuur relatief laag.

Om het verwarmingsprobleem van het circuit op te lossen, moet het ideale dunne circuit de volgende kenmerken hebben: lage verliesfactor van het circuitmateriaal, glad koperen dun oppervlak, lage εr en hoge thermische geleidbaarheid. Vergeleken met het circuitmateriaal met hoge r, kan de geleiderbreedte van dezelfde impedantie die wordt verkregen onder de voorwaarde van lage r groter zijn, wat gunstig is om het geleiderverlies van het circuit te verminderen. Vanuit het perspectief van de warmteafvoer van circuits, hoewel de meeste hoogfrequente PCB-circuitsubstraten een zeer slechte thermische geleidbaarheid hebben in vergelijking met geleiders, is de thermische geleidbaarheid van circuitmaterialen nog steeds een zeer belangrijke parameter.

Veel discussies over de thermische geleidbaarheid van circuitsubstraten zijn in eerdere artikelen uitgewerkt en in dit artikel zullen enkele resultaten en informatie uit eerdere artikelen worden geciteerd. De volgende vergelijking en figuur 3 zijn bijvoorbeeld nuttig om de factoren te begrijpen die verband houden met de thermische prestaties van PCB-circuitmaterialen. In de vergelijking is k de thermische geleidbaarheid (W/m/K), A is de oppervlakte, TH is de temperatuur van de warmtebron, TC is de temperatuur van de koude bron en L is de afstand tussen de warmtebron en de koude bron.