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

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.

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.

Etter å ha ignorert strålingstapet under 20GHz, inkluderer innsettingstapet av en mikrostrip-transmisjonslinjekrets hovedsakelig to deler: dielektrisk tap og ledertap. Andelen av de to avhenger hovedsakelig av tykkelsen på kretssubstratet. For tynnere underlag er ledertap hovedkomponenten. Av mange grunner er det generelt vanskelig å forutsi ledertap nøyaktig. For eksempel har overflateruheten til en leder stor innflytelse på overføringsegenskapene til elektromagnetiske bølger. Overflateruheten til kobberfolie vil ikke bare endre den elektromagnetiske bølgeutbredelseskonstanten til mikrostripkretsen, men også øke ledertapet til kretsen. På grunn av hudeffekten er påvirkningen av kobberfolieruhet på ledertapet også frekvensavhengig. Figur 1 sammenligner innsettingstapet for 50 ohm mikrostrip overføringslinjekretser basert på forskjellige PCB-tykkelser, som er henholdsvis 6.6 mils og 10 mils.

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.

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.