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

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.

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.

Depois de ignorar a perda de radiação abaixo de 20 GHz, a perda de inserção de um circuito de linha de transmissão de microfita inclui principalmente duas partes: perda dielétrica e perda de condutor. A proporção dos dois depende principalmente da espessura do substrato do circuito. Para substratos mais finos, a perda de condutor é o componente principal. Por muitas razões, geralmente é difícil prever com precisão a perda do condutor. Por exemplo, a rugosidade da superfície de um condutor tem uma grande influência nas características de transmissão de ondas eletromagnéticas. A rugosidade da superfície da folha de cobre não mudará apenas a constante de propagação da onda eletromagnética do circuito de microfita, mas também aumentará a perda de condutor do circuito. Devido ao efeito de pele, a influência da rugosidade da folha de cobre na perda do condutor também depende da frequência. A Figura 1 compara a perda de inserção de circuitos de linha de transmissão de microtira de 50 ohms com base em diferentes espessuras de PCB, que são 6.6 mils e 10 mils, respectivamente.

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.

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.