Når høyfrekvente/mikrobølgeradiofrekvenssignalet mates inn i PCB krets, tapet forårsaket av selve kretsen og kretsmaterialet vil uunngåelig generere en viss mengde varme. Jo større tap, desto høyere kraft passerer PCB-materialet, og jo større varme genereres. Når driftstemperaturen til kretsen overstiger den nominelle verdien, kan kretsen forårsake noen problemer. For eksempel er den typiske driftsparameteren MOT, som er velkjent i PCB, maksimal driftstemperatur. Når driftstemperaturen overstiger MOT, vil ytelsen og påliteligheten til PCB-kretsen bli truet. Gjennom kombinasjonen av elektromagnetisk modellering og eksperimentelle målinger, kan forståelsen av de termiske egenskapene til RF-mikrobølge-PCB-er bidra til å unngå forringelse av kretsytelse og forringelse av pålitelighet forårsaket av høye temperaturer.

Å forstå hvordan innsettingstap oppstår i kretsmaterialer bidrar til å bedre beskrive de viktige faktorene knyttet til den termiske ytelsen til høyfrekvente PCB-kretser. Denne artikkelen vil ta mikrostrip-transmisjonslinjekretsen som et eksempel for å diskutere avveininger knyttet til kretsens termiske ytelse. I en mikrostrip-krets med en dobbeltsidig PCB-struktur inkluderer tap dielektrisk tap, ledertap, strålingstap og lekkasjetap. Forskjellen mellom de ulike tapskomponentene er stor. Med noen få unntak er lekkasjetapet til høyfrekvente PCB-kretser generelt svært lavt. I denne artikkelen, siden lekkasjetapsverdien er svært lav, vil den bli ignorert inntil videre.

Strålingstap

Strålingstap avhenger av mange kretsparametere som driftsfrekvens, kretssubstrattykkelse, PCB dielektrisk konstant (relativ dielektrisk konstant eller εr) og designplan. Når det gjelder designskjemaer, stammer strålingstap ofte fra dårlig impedanstransformasjon i kretsen eller forskjeller i elektromagnetisk bølgeoverføring i kretsen. Kretsimpedanstransformasjonsområde inkluderer vanligvis signalinnmatingsområde, trinnimpedanspunkt, stub og matchende nettverk. Rimelig kretsdesign kan realisere jevn impedanstransformasjon, og dermed redusere strålingstapet til kretsen. Selvfølgelig bør det innses at det er muligheten for impedansmistilpasning som fører til strålingstap ved et hvilket som helst grensesnitt av kretsen. Fra synspunktet til driftsfrekvensen, vanligvis jo høyere frekvensen er, desto større er strålingstapet til kretsen.

Parametrene til kretsmaterialer relatert til strålingstap er hovedsakelig dielektrisk konstant og PCB-materialtykkelse. Jo tykkere kretssubstratet er, desto større er muligheten for å forårsake strålingstap; jo lavere εr av PCB-materialet, desto større er strålingstapet i kretsen. Ved å veie materialkarakteristikker kan bruken av tynne kretssubstrater brukes som en måte å kompensere for strålingstapet forårsaket av kretsmaterialer med lav εr. Påvirkningen av kretssubstrattykkelse og εr på kretsstrålingstap er fordi det er en frekvensavhengig funksjon. Når tykkelsen på kretssubstratet ikke overstiger 20mil og driftsfrekvensen er lavere enn 20GHz, er strålingstapet til kretsen svært lavt. Siden de fleste kretsmodellerings- og målefrekvensene i denne artikkelen er lavere enn 20GHz, vil diskusjonen i denne artikkelen ignorere påvirkningen av strålingstap på kretsoppvarming.

After ignoring the radiation loss below 20GHz, the insertion loss of a microstrip transmission line circuit mainly includes two parts: dielectric loss and conductor loss. The proportion of the two mainly depends on the thickness of the circuit substrate. For thinner substrates, conductor loss is the main component. For many reasons, it is generally difficult to accurately predict conductor loss. For example, the surface roughness of a conductor has a huge influence on the transmission characteristics of electromagnetic waves. The surface roughness of copper foil will not only change the electromagnetic wave propagation constant of the microstrip circuit, but also increase the conductor loss of the circuit. Due to the skin effect, the influence of copper foil roughness on conductor loss is also frequency-dependent. Figure 1 compares the insertion loss of 50 ohm microstrip transmission line circuits based on different PCB thicknesses, which are 6.6 mils and 10 mils, respectively

Målte og simulerte resultater

Kurven i figur 1 inneholder de målte resultatene og simuleringsresultatene. Simuleringsresultatene oppnås ved å bruke Rogers Corporations MWI-2010 programvare for beregning av mikrobølgeimpedans. MWI-2010-programvaren siterer de analytiske ligningene i de klassiske papirene innen mikrostrip-linjemodellering. Testdataene i figur 1 er oppnådd ved differensiallengdemålemetoden til en vektornettverksanalysator. Det kan ses av fig. 1 at simuleringsresultatene av totaltapskurven i utgangspunktet er konsistente med de målte resultatene. Det kan sees av figuren at ledertapet til den tynnere kretsen (kurven til venstre tilsvarer en tykkelse på 6.6 mil) er hovedkomponenten i det totale innsettingstapet. Når kretstykkelsen øker (tykkelsen som tilsvarer kurven til høyre er 10mil), har det dielektriske tapet og ledertapet en tendens til å nærme seg, og de to utgjør til sammen det totale innsettingstapet.

Simuleringsmodellen i figur 1 og kretsmaterialets parametere som brukes i den faktiske kretsen er: dielektrisk konstant 3.66, tapsfaktor 0.0037, og kobberlederens overflateruhet 2.8 um RMS. Når overflateruheten til kobberfolien under det samme kretsmaterialet reduseres, vil ledertapet til 6.6 mil og 10 mil kretsene i figur 1 bli betydelig redusert; effekten er imidlertid ikke åpenbar for 20 mil-kretsen. Figur 2 viser testresultatene av to kretsmaterialer med ulik ruhet, nemlig Rogers RO4350B™ standard kretsmateriale med høy ruhet og Rogers RO4350B LoPro™ kretsmateriale med lav ruhet.

Som vist i figur 1 og figur 2, jo tynnere kretssubstratet er, desto høyere er innsettingstapet for kretsen. Dette betyr at når kretsen mates med en viss mengde RF-mikrobølgeeffekt, jo tynnere vil kretsen generere mer varme. Ved en omfattende avveining av spørsmålet om kretsoppvarming, genererer på den ene siden en tynnere krets mer varme enn en tykk krets ved høye effektnivåer, men på den annen side kan en tynnere krets oppnå mer effektiv varmestrøm gjennom kjøleribben. Hold temperaturen relativt lav.

For å løse oppvarmingsproblemet til kretsen, bør den ideelle tynne kretsen ha følgende egenskaper: lav tapsfaktor for kretsmaterialet, glatt kobber tynn overflate, lav εr og høy varmeledningsevne. Sammenlignet med kretsmaterialet med høy εr, kan lederbredden til samme impedans oppnådd under tilstanden med lav εr være større, noe som er fordelaktig for å redusere ledertapet til kretsen. Fra perspektivet til kretsvarmespredning, selv om de fleste høyfrekvente PCB-kretssubstrater har svært dårlig termisk ledningsevne i forhold til ledere, er den termiske ledningsevnen til kretsmaterialer fortsatt en veldig viktig parameter.

Mange diskusjoner om den termiske ledningsevnen til kretssubstrater har blitt utdypet i tidligere artikler, og denne artikkelen vil sitere noen resultater og informasjon fra tidligere artikler. For eksempel er den følgende ligningen og figur 3 nyttige for å forstå faktorene knyttet til den termiske ytelsen til PCB-kretsmaterialer. I ligningen er k varmeledningsevnen (W/m/K), A er arealet, TH er temperaturen på varmekilden, TC er temperaturen på kuldekilden, og L er avstanden mellom varmekilden og den kalde kilden.