Gdy sygnał częstotliwości radiowej wysokiej częstotliwości/mikrofalowy jest podawany do PCB obwód, strata spowodowana przez sam obwód i materiał obwodu nieuchronnie wygeneruje pewną ilość ciepła. Im większa strata, tym większa moc przechodząca przez materiał PCB i większe generowane ciepło. Gdy temperatura robocza obwodu przekracza wartość znamionową, obwód może powodować pewne problemy. Na przykład typowym parametrem pracy MOT, który jest dobrze znany w PCB, jest maksymalna temperatura pracy. Gdy temperatura robocza przekroczy MOT, wydajność i niezawodność obwodu PCB będą zagrożone. Dzięki połączeniu modelowania elektromagnetycznego i pomiarów eksperymentalnych zrozumienie charakterystyki termicznej mikrofalowych płytek drukowanych RF może pomóc w uniknięciu degradacji wydajności obwodów i degradacji niezawodności spowodowanej wysokimi temperaturami.

Zrozumienie, w jaki sposób występuje tłumienie wtrąceniowe w materiałach obwodów, pomaga lepiej opisać ważne czynniki związane z wydajnością cieplną obwodów drukowanych wysokiej częstotliwości. W tym artykule wykorzystamy obwód linii transmisyjnej mikropaskowej jako przykład do omówienia kompromisów związanych z wydajnością cieplną obwodu. W obwodzie mikropaskowym z dwustronną strukturą PCB straty obejmują straty dielektryczne, straty przewodnika, straty promieniowania i straty upływu. Różnica między różnymi składnikami strat jest duża. Z kilkoma wyjątkami straty upływowe w obwodach PCB wysokiej częstotliwości są na ogół bardzo niskie. W tym artykule, ponieważ wartość strat upływu jest bardzo niska, na razie zostanie zignorowana.

Utrata promieniowania

Strata promieniowania zależy od wielu parametrów obwodu, takich jak częstotliwość robocza, grubość podłoża obwodu, stała dielektryczna PCB (względna stała dielektryczna lub εr) i plan projektowy. Jeśli chodzi o schematy projektowe, straty promieniowania często wynikają ze słabej transformacji impedancji w obwodzie lub różnic w transmisji fal elektromagnetycznych w obwodzie. Obszar transformacji impedancji obwodu zwykle obejmuje obszar wprowadzania sygnału, punkt impedancji kroku, odgałęzienie i sieć dopasowującą. Rozsądny projekt obwodu może zapewnić płynną transformację impedancji, zmniejszając w ten sposób utratę promieniowania w obwodzie. Oczywiście należy zdawać sobie sprawę, że istnieje możliwość niedopasowania impedancji prowadzącego do utraty promieniowania na dowolnym interfejsie obwodu. Z punktu widzenia częstotliwości roboczej, zwykle im wyższa częstotliwość, tym większe straty promieniowania obwodu.

Parametry materiałów obwodów związanych z utratą promieniowania to głównie stała dielektryczna i grubość materiału PCB. Im grubsze podłoże obwodu, tym większa możliwość spowodowania strat promieniowania; im niższy εr materiału PCB, tym większa strata promieniowania obwodu. Zastosowanie podłoży o cienkich obwodach może być wykorzystane jako sposób na zrównoważenie strat promieniowania spowodowanych przez materiały obwodów o niskiej εr. Wpływ grubości podłoża obwodu i εr na straty promieniowania obwodu wynika z tego, że jest to funkcja zależna od częstotliwości. Gdy grubość podłoża obwodu nie przekracza 20 mil, a częstotliwość robocza jest niższa niż 20 GHz, straty promieniowania obwodu są bardzo niskie. Ponieważ większość częstotliwości modelowania i pomiaru obwodów w tym artykule jest mniejsza niż 20GHz, dyskusja w tym artykule pominie wpływ strat promieniowania na nagrzewanie obwodu.

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

Wyniki pomiarów i symulacji

Krzywa na rysunku 1 zawiera zmierzone wyniki i wyniki symulacji. Wyniki symulacji uzyskano przy użyciu oprogramowania do obliczania impedancji mikrofalowej MWI-2010 firmy Rogers Corporation. Oprogramowanie MWI-2010 przytacza równania analityczne z klasycznych prac z zakresu modelowania linii mikropaskowych. Dane testowe na rysunku 1 są uzyskiwane metodą różnicowego pomiaru długości wektorowego analizatora sieci. Z rys. 1 widać, że wyniki symulacji krzywej strat całkowitych są w zasadzie zgodne z wynikami pomiarów. Na rysunku widać, że straty w przewodzie cieńszego obwodu (krzywa po lewej odpowiada grubości 6.6 milicali) są głównym składnikiem całkowitej tłumienności wtrąceniowej. Wraz ze wzrostem grubości obwodu (grubość odpowiadająca krzywej po prawej stronie wynosi 10 mil), strata dielektryczna i strata przewodnika mają tendencję do zbliżania się, a oba razem stanowią całkowitą tłumienność wtrąceniową.

Model symulacyjny na rysunku 1 oraz parametry materiału obwodu użyte w rzeczywistym obwodzie to: stała dielektryczna 3.66, współczynnik stratności 0.0037 i chropowatość powierzchni przewodnika miedzianego 2.8 um RMS. Gdy chropowatość powierzchni folii miedzianej pod tym samym materiałem obwodu zostanie zmniejszona, utrata przewodnika w obwodach 6.6 milicali i 10 milicali na rysunku 1 zostanie znacznie zmniejszona; jednak efekt nie jest oczywisty dla obwodu 20 mil. Rysunek 2 przedstawia wyniki testów dwóch materiałów obwodów o różnej chropowatości, a mianowicie standardowego materiału obwodu Rogers RO4350B™ o wysokiej chropowatości i materiału obwodu Rogers RO4350B LoPro™ o niskiej chropowatości.

Jak pokazano na rysunkach 1 i 2, im cieńsze podłoże obwodu, tym wyższe tłumienie wtrąceniowe obwodu. Oznacza to, że gdy obwód jest zasilany pewną ilością mocy mikrofalowej RF, im cieńszy obwód będzie generował więcej ciepła. Rozważając kompleksowo kwestię ogrzewania obwodu, z jednej strony cieńszy obwód generuje więcej ciepła niż obwód gruby przy wysokich poziomach mocy, ale z drugiej strony cieńszy obwód może uzyskać bardziej efektywny przepływ ciepła przez radiator. Utrzymuj stosunkowo niską temperaturę.

Aby rozwiązać problem nagrzewania obwodu, idealny cienki obwód powinien mieć następujące cechy: niski współczynnik stratności materiału obwodu, gładka cienka powierzchnia miedzi, niski współczynnik εr i wysoka przewodność cieplna. W porównaniu z materiałem obwodu o wysokim εr, szerokość przewodnika o tej samej impedancji uzyskanej w warunkach niskiego εr może być większa, co jest korzystne dla zmniejszenia strat przewodnika w obwodzie. Z punktu widzenia rozpraszania ciepła w obwodzie, chociaż większość podłoży obwodów drukowanych o wysokiej częstotliwości ma bardzo słabą przewodność cieplną w stosunku do przewodników, przewodność cieplna materiałów obwodów jest nadal bardzo ważnym parametrem.

Wiele dyskusji na temat przewodności cieplnej podłoży obwodów zostało omówionych we wcześniejszych artykułach, a ten artykuł będzie cytował niektóre wyniki i informacje z wcześniejszych artykułów. Na przykład poniższe równanie i rysunek 3 są pomocne w zrozumieniu czynników związanych z wydajnością cieplną materiałów obwodów drukowanych. W równaniu k to przewodność cieplna (W/m/K), A to powierzchnia, TH to temperatura źródła ciepła, TC to temperatura zimnego źródła, a L to odległość między źródłem ciepła a zimne źródło.