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

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.

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.

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.

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.