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

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.

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.

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.

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.