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

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.

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.

Po zignorowaniu strat promieniowania poniżej 20 GHz, straty wtrąceniowe obwodu linii transmisyjnej mikropaskowej obejmują głównie dwie części: stratę dielektryczną i stratę przewodnika. Proporcja tych dwóch zależy głównie od grubości podłoża obwodu. W przypadku cieńszych podłoży głównym składnikiem jest strata przewodnika. Z wielu powodów na ogół trudno jest dokładnie przewidzieć straty w przewodzie. Na przykład chropowatość powierzchni przewodnika ma ogromny wpływ na charakterystykę transmisji fal elektromagnetycznych. Chropowatość powierzchni folii miedzianej nie tylko zmieni stałą propagacji fali elektromagnetycznej obwodu mikropaskowego, ale także zwiększy straty przewodnika obwodu. Ze względu na efekt naskórkowości wpływ chropowatości folii miedzianej na straty w przewodzie jest również zależny od częstotliwości. Rysunek 1 porównuje straty wtrąceniowe obwodów linii transmisyjnej 50 omów z mikropaskami w oparciu o różne grubości PCB, które wynoszą odpowiednio 6.6 milicali i 10 milicali.

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.

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.