Când semnalul de înaltă frecvență/frecvență radio cu microunde este introdus în PCB circuit, pierderea cauzată de circuitul însuși și de materialul circuitului va genera inevitabil o anumită cantitate de căldură. Cu cât pierderea este mai mare, cu atât puterea care trece prin materialul PCB este mai mare și căldura generată este mai mare. Când temperatura de funcționare a circuitului depășește valoarea nominală, circuitul poate cauza unele probleme. De exemplu, parametrul de funcționare tipic MOT, care este bine cunoscut în PCB-uri, este temperatura maximă de funcționare. Când temperatura de funcționare depășește MOT, performanța și fiabilitatea circuitului PCB vor fi amenințate. Prin combinarea modelării electromagnetice și a măsurătorilor experimentale, înțelegerea caracteristicilor termice ale PCB-urilor cu microunde RF poate ajuta la evitarea degradării performanței circuitului și a fiabilității cauzate de temperaturile ridicate.

Înțelegerea modului în care se produce pierderea de inserție în materialele circuitelor ajută la o mai bună descriere a factorilor importanți legați de performanța termică a circuitelor PCB de înaltă frecvență. Acest articol va lua ca exemplu circuitul liniei de transmisie microstrip pentru a discuta compromisurile legate de performanța termică a circuitului. Într-un circuit microstrip cu o structură PCB cu două fețe, pierderile includ pierderea dielectrică, pierderea conductorului, pierderea radiației și pierderea prin scurgere. Diferența dintre diferitele componente ale pierderii este mare. Cu câteva excepții, pierderea de scurgere a circuitelor PCB de înaltă frecvență este în general foarte scăzută. În acest articol, deoarece valoarea pierderii de scurgere este foarte mică, aceasta va fi ignorată pentru moment.

Pierderea de radiații

Pierderea de radiație depinde de mulți parametri ai circuitului, cum ar fi frecvența de funcționare, grosimea substratului circuitului, constanta dielectrică PCB (constantă dielectrică relativă sau εr) și planul de proiectare. În ceea ce privește schemele de proiectare, pierderile de radiație provin adesea din transformarea slabă a impedanței în circuit sau diferențele de transmisie a undelor electromagnetice în circuit. Zona de transformare a impedanței circuitului include de obicei zona de alimentare a semnalului, punctul de impedanță în trepte, stub și rețeaua de potrivire. Proiectarea rezonabilă a circuitului poate realiza o transformare lină a impedanței, reducând astfel pierderea de radiație a circuitului. Desigur, trebuie realizat că există posibilitatea ca impedanța nepotrivită să conducă la pierderi de radiație la orice interfață a circuitului. Din punct de vedere al frecvenței de funcționare, de obicei, cu cât frecvența este mai mare, cu atât este mai mare pierderea de radiație a circuitului.

Parametrii materialelor circuitelor legate de pierderea de radiație sunt în principal constanta dielectrică și grosimea materialului PCB. Cu cât substratul circuitului este mai gros, cu atât este mai mare posibilitatea de a provoca pierderi de radiație; cu cât este mai mic εr al materialului PCB, cu atât este mai mare pierderea de radiație a circuitului. Cântărind în mod cuprinzător caracteristicile materialelor, utilizarea substraturilor de circuit subțire poate fi utilizată ca o modalitate de a compensa pierderile de radiație cauzate de materialele de circuit cu εr scăzut. Influența grosimii substratului circuitului și a εr asupra pierderii de radiație a circuitului se datorează faptului că este o funcție dependentă de frecvență. Când grosimea substratului circuitului nu depășește 20mil și frecvența de operare este mai mică de 20GHz, pierderea de radiație a circuitului este foarte mică. Deoarece cele mai multe dintre frecvențele de modelare și măsurare a circuitelor din acest articol sunt mai mici de 20GHz, discuția din acest articol va ignora influența pierderilor de radiație asupra încălzirii circuitului.

După ignorarea pierderii de radiație sub 20GHz, pierderea de inserție a unui circuit de linie de transmisie cu microbandă include în principal două părți: pierderea dielectrică și pierderea conductorului. Proporția celor două depinde în principal de grosimea substratului circuitului. Pentru substraturi mai subțiri, pierderea conductorului este componenta principală. Din multe motive, este, în general, dificil să se prezică cu exactitate pierderea conductorului. De exemplu, rugozitatea suprafeței unui conductor are o influență imensă asupra caracteristicilor de transmisie a undelor electromagnetice. Rugozitatea suprafeței foliei de cupru nu numai că va schimba constanta de propagare a undelor electromagnetice a circuitului microbandă, dar va crește și pierderea conductorului circuitului. Datorită efectului de piele, influența rugozității foliei de cupru asupra pierderii conductorului este, de asemenea, dependentă de frecvență. Figura 1 compară pierderea de inserție a circuitelor de linie de transmisie cu microbandă de 50 ohmi pe baza diferitelor grosimi de PCB, care sunt de 6.6 mils și, respectiv, 10 mils.

25

Figura 1. Comparație între circuitele liniei de transmisie cu microbandă de 50 ohmi bazate pe materiale PCB de diferite grosimi

Rezultate măsurate și simulate

Curba din figura 1 conține rezultatele măsurate și rezultatele simulării. Rezultatele simulării sunt obținute utilizând software-ul de calcul al impedanței microundelor MWI-2010 de la Rogers Corporation. Software-ul MWI-2010 citează ecuațiile analitice din lucrările clasice din domeniul modelării liniilor microstrip. Datele de testare din Figura 1 sunt obținute prin metoda de măsurare a lungimii diferențiale a unui analizor de rețea vectorială. Se poate observa din Fig. 1 că rezultatele simulării curbei pierderii totale sunt practic consecvente cu rezultatele măsurate. Se poate observa din figură că pierderea conductorului circuitului mai subțire (curba din stânga corespunde unei grosimi de 6.6 mil) este componenta principală a pierderii totale de inserție. Pe măsură ce grosimea circuitului crește (grosimea corespunzătoare curbei din dreapta este de 10mil), pierderea dielectrică și pierderea conductorului tind să se apropie, iar cele două împreună constituie pierderea totală de inserție.

Modelul de simulare din Figura 1 și parametrii materialului circuitului utilizați în circuitul real sunt: ​​constanta dielectrică 3.66, factor de pierdere 0.0037 și rugozitatea suprafeței conductorului de cupru 2.8 um RMS. Când rugozitatea suprafeței foliei de cupru sub același material de circuit este redusă, pierderea conductorului circuitelor de 6.6 mil și 10 mil din Figura 1 va fi redusă semnificativ; cu toate acestea, efectul nu este evident pentru circuitul de 20 mil. Figura 2 prezintă rezultatele testelor a două materiale de circuit cu rugozitate diferită, și anume materialul de circuit standard Rogers RO4350B™ cu rugozitate mare și materialul de circuit Rogers RO4350B LoPro™ cu rugozitate scăzută.

Figura 2 prezintă avantajele utilizării unui substrat de suprafață cu folie de cupru netedă pentru a procesa circuitele microbande. Pentru substraturi mai subțiri, utilizarea foliei netede de cupru poate reduce semnificativ pierderile de inserție. Pentru substratul de 6.6 mil, pierderea de inserție este redusă cu 0.3 dB la 20GHz datorită utilizării foliei netede de cupru; substratul de 10mil este redus cu 0.22 dB la 20GHz; și substratul de 20 mil, pierderea de inserție este redusă doar cu 0.11 dB.

După cum se arată în Figura 1 și Figura 2, cu cât substratul circuitului este mai subțire, cu atât pierderea de inserție a circuitului este mai mare. Aceasta înseamnă că atunci când circuitul este alimentat cu o anumită putere de microunde RF, cu atât circuitul va genera mai multă căldură. Când se cântărește cuprinzător problema încălzirii circuitului, pe de o parte, un circuit mai subțire generează mai multă căldură decât un circuit gros la niveluri de putere ridicate, dar, pe de altă parte, un circuit mai subțire poate obține un flux de căldură mai eficient prin radiatorul. Mențineți temperatura relativ scăzută.

Pentru a rezolva problema de încălzire a circuitului, circuitul subțire ideal ar trebui să aibă următoarele caracteristici: factor de pierdere scăzut al materialului circuitului, suprafață netedă subțire de cupru, εr scăzut și conductivitate termică ridicată. În comparație cu materialul circuitului cu εr mare, lățimea conductorului aceleiași impedanțe obținute în condițiile unui εr scăzut poate fi mai mare, ceea ce este benefic pentru a reduce pierderea conductorului circuitului. Din perspectiva disipării căldurii circuitului, deși majoritatea substraturilor circuitelor PCB de înaltă frecvență au o conductivitate termică foarte slabă în raport cu conductorii, conductivitatea termică a materialelor circuitului este încă un parametru foarte important.

O mulțime de discuții despre conductivitatea termică a substraturilor circuitelor au fost elaborate în articolele anterioare, iar acest articol va cita câteva rezultate și informații din articolele anterioare. De exemplu, următoarea ecuație și Figura 3 sunt utile pentru a înțelege factorii legați de performanța termică a materialelor circuitelor PCB. În ecuație, k este conductivitatea termică (W/m/K), A este aria, TH este temperatura sursei de căldură, TC este temperatura sursei de rece și L este distanța dintre sursa de căldură și sursa rece.