Quando o sinal de alta frequência / frequência de rádio de micro-ondas é alimentado no PCB circuito, a perda causada pelo próprio circuito e o material do circuito irá gerar inevitavelmente uma certa quantidade de calor. Quanto maior for a perda, maior será a energia que passa pelo material de PCB e maior será o calor gerado. Quando a temperatura de operação do circuito excede o valor nominal, o circuito pode causar alguns problemas. Por exemplo, o parâmetro operacional típico MOT, que é bem conhecido em PCBs, é a temperatura máxima de operação. Quando a temperatura operacional excede o MOT, o desempenho e a confiabilidade do circuito PCB serão ameaçados. Por meio da combinação de modelagem eletromagnética e medições experimentais, a compreensão das características térmicas dos PCBs de microondas de RF pode ajudar a evitar a degradação do desempenho do circuito e a degradação da confiabilidade causada por altas temperaturas.

Compreender como ocorre a perda de inserção nos materiais do circuito ajuda a descrever melhor os fatores importantes relacionados ao desempenho térmico dos circuitos de PCB de alta frequência. Este artigo tomará o circuito da linha de transmissão microstrip como um exemplo para discutir as compensações relacionadas ao desempenho térmico do circuito. Em um circuito de microtira com uma estrutura de PCB de dupla face, as perdas incluem perda dielétrica, perda de condutor, perda de radiação e perda de vazamento. A diferença entre os diferentes componentes de perda é grande. Com algumas exceções, a perda por vazamento de circuitos de PCB de alta frequência é geralmente muito baixa. Neste artigo, como o valor de perda por vazamento é muito baixo, ele será ignorado por enquanto.

Perda de radiação

A perda de radiação depende de muitos parâmetros do circuito, como frequência de operação, espessura do substrato do circuito, constante dielétrica do PCB (constante dielétrica relativa ou εr) e plano de projeto. No que diz respeito aos esquemas de design, a perda de radiação geralmente resulta de uma transformação de impedância pobre no circuito ou diferenças na transmissão de ondas eletromagnéticas no circuito. A área de transformação da impedância do circuito geralmente inclui a área de alimentação do sinal, ponto de impedância de passo, stub e rede de correspondência. Um projeto de circuito razoável pode realizar uma transformação de impedância suave, reduzindo assim a perda de radiação do circuito. Obviamente, deve-se perceber que existe a possibilidade de incompatibilidade de impedância levando à perda de radiação em qualquer interface do circuito. Do ponto de vista da freqüência de operação, geralmente quanto maior a freqüência, maior a perda de radiação do circuito.

Os parâmetros dos materiais do circuito relacionados à perda de radiação são principalmente a constante dielétrica e a espessura do material PCB. Quanto mais espesso o substrato do circuito, maior a possibilidade de causar perda de radiação; quanto menor o εr do material PCB, maior a perda de radiação do circuito. Pesando de forma abrangente as características do material, o uso de substratos de circuito fino pode ser usado como uma forma de compensar a perda de radiação causada por materiais de circuito εr baixo. A influência da espessura do substrato do circuito e εr na perda de radiação do circuito é porque é uma função dependente da frequência. Quando a espessura do substrato do circuito não ultrapassa 20mil e a frequência de operação é inferior a 20 GHz, a perda de radiação do circuito é muito baixa. Como a maioria das frequências de modelagem e medição de circuito neste artigo são inferiores a 20 GHz, a discussão neste artigo irá ignorar a influência da perda de radiação no aquecimento do circuito.

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

Resultados medidos e simulados

A curva na Figura 1 contém os resultados medidos e os resultados da simulação. Os resultados da simulação são obtidos usando o software de cálculo de impedância de microondas MWI-2010 da Rogers Corporation. O software MWI-2010 cita as equações analíticas em artigos clássicos no campo da modelagem de linhas de microfita. Os dados de teste na Figura 1 são obtidos pelo método de medição de comprimento diferencial de um analisador de rede vetorial. Pode-se observar na Fig. 1 que os resultados da simulação da curva de perda total são basicamente consistentes com os resultados medidos. Pode-se observar na figura que a perda de condutor do circuito mais fino (a curva à esquerda corresponde a uma espessura de 6.6 mil) é o principal componente da perda total de inserção. À medida que a espessura do circuito aumenta (a espessura correspondente à curva à direita é de 10mil), a perda dielétrica e a perda do condutor tendem a se aproximar, e as duas juntas constituem a perda de inserção total.

O modelo de simulação na Figura 1 e os parâmetros do material do circuito usados ​​no circuito real são: constante dielétrica 3.66, fator de perda 0.0037 e rugosidade da superfície do condutor de cobre 2.8 um RMS. Quando a rugosidade da superfície da folha de cobre sob o mesmo material de circuito é reduzida, a perda de condutor dos circuitos de 6.6 mil e 10 mil na Figura 1 será significativamente reduzida; no entanto, o efeito não é óbvio para o circuito de 20 mil. A Figura 2 mostra os resultados do teste de dois materiais de circuito com rugosidade diferente, ou seja, material de circuito padrão Rogers RO4350B ™ com alta rugosidade e material de circuito Rogers RO4350B LoPro ™ com baixa rugosidade.

Conforme mostrado na Figura 1 e na Figura 2, quanto mais fino o substrato do circuito, maior a perda de inserção do circuito. Isso significa que, quando o circuito é alimentado com uma certa quantidade de potência de microondas de RF, quanto mais fino o circuito, mais calor será gerado. Ao pesar de forma abrangente a questão do aquecimento do circuito, por um lado, um circuito mais fino gera mais calor do que um circuito grosso em níveis de alta potência, mas por outro lado, um circuito mais fino pode obter um fluxo de calor mais eficaz através do dissipador de calor. Mantenha a temperatura relativamente baixa.

Para resolver o problema de aquecimento do circuito, o circuito fino ideal deve ter as seguintes características: baixo fator de perda do material do circuito, superfície fina de cobre lisa, baixo εr e alta condutividade térmica. Comparado com o material do circuito de εr alto, a largura do condutor da mesma impedância obtida na condição de εr baixo pode ser maior, o que é benéfico para reduzir a perda do condutor do circuito. Do ponto de vista da dissipação de calor do circuito, embora a maioria dos substratos de circuito de PCB de alta frequência tenha uma condutividade térmica muito pobre em relação aos condutores, a condutividade térmica dos materiais do circuito ainda é um parâmetro muito importante.

Muitas discussões sobre a condutividade térmica de substratos de circuito foram elaboradas em artigos anteriores, e este artigo irá citar alguns resultados e informações de artigos anteriores. Por exemplo, a seguinte equação e a Figura 3 são úteis para entender os fatores relacionados ao desempenho térmico dos materiais do circuito PCB. Na equação, k é a condutividade térmica (W / m / K), A é a área, TH é a temperatura da fonte de calor, TC é a temperatura da fonte fria e L é a distância entre a fonte de calor e a fonte fria.