Когда высокочастотный / микроволновый радиочастотный сигнал подается в печатная плата цепи, потери, вызванные самой цепью и материалом цепи, неизбежно будут выделять определенное количество тепла. Чем больше потери, тем выше мощность, проходящая через материал печатной платы, и тем больше выделяется тепла. Когда рабочая температура цепи превышает номинальное значение, цепь может вызвать некоторые проблемы. Например, типичным рабочим параметром MOT, который хорошо известен в печатных платах, является максимальная рабочая температура. Когда рабочая температура превышает MOT, производительность и надежность схемы печатной платы будут поставлены под угрозу. Благодаря сочетанию электромагнитного моделирования и экспериментальных измерений понимание тепловых характеристик высокочастотных микроволновых печатных плат может помочь избежать ухудшения характеристик схемы и снижения надежности, вызванного высокими температурами.

Понимание того, как возникают вносимые потери в материалах схем, помогает лучше описать важные факторы, связанные с тепловыми характеристиками высокочастотных схем печатных плат. В этой статье мы рассмотрим схему микрополосковой линии передачи в качестве примера, чтобы обсудить компромиссы, связанные с тепловыми характеристиками схемы. В микрополосковой схеме с двусторонней структурой печатной платы потери включают в себя диэлектрические потери, потери в проводнике, радиационные потери и потери на утечку. Разница между разными составляющими потерь велика. За некоторыми исключениями, потери утечки высокочастотных схем печатных плат, как правило, очень низкие. В этой статье, поскольку величина потерь при утечке очень мала, пока она будет проигнорирована.

Радиационная потеря

Потери на излучение зависят от многих параметров схемы, таких как рабочая частота, толщина подложки схемы, диэлектрическая проницаемость печатной платы (относительная диэлектрическая проницаемость или εr) и проектный план. Что касается проектных схем, радиационные потери часто возникают из-за плохого преобразования импеданса в цепи или различий в передаче электромагнитных волн в цепи. Область преобразования импеданса цепи обычно включает в себя зону подачи сигнала, точку ступенчатого импеданса, шлейф и согласующую цепь. Разумная конструкция схемы позволяет реализовать плавное преобразование импеданса, тем самым уменьшая радиационные потери схемы. Конечно, следует понимать, что существует возможность рассогласования импеданса, приводящего к потерям излучения на любом интерфейсе схемы. С точки зрения рабочей частоты, как правило, чем выше частота, тем больше радиационные потери в цепи.

Параметры материалов схемы, связанные с радиационными потерями, – это в основном диэлектрическая проницаемость и толщина материала печатной платы. Чем толще подложка схемы, тем больше вероятность возникновения радиационных потерь; чем меньше εr материала печатной платы, тем больше радиационные потери в цепи. Всесторонне взвешивая характеристики материала, использование тонких подложек для схем можно использовать как способ компенсировать потери на излучение, вызванные материалами схем с низким εr. Влияние толщины подложки схемы и εr на радиационные потери схемы обусловлено тем, что это функция, зависящая от частоты. Когда толщина подложки схемы не превышает 20 мил, а рабочая частота ниже 20 ГГц, потери на излучение в схеме очень низкие. Поскольку большинство частот моделирования и измерения схем в этой статье ниже 20 ГГц, при обсуждении в этой статье не будет учитываться влияние радиационных потерь на нагрев цепи.

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

Измеренные и смоделированные результаты

Кривая на рисунке 1 содержит результаты измерений и моделирования. Результаты моделирования получены с использованием программного обеспечения для расчета импеданса микроволнового излучения Rogers Corporation MWI-2010. Программа MWI-2010 цитирует аналитические уравнения из классических статей в области моделирования микрополосковых линий. Данные испытаний на рисунке 1 получены методом измерения дифференциальной длины с помощью векторного анализатора цепей. Из рис. 1 видно, что результаты моделирования кривой общих потерь в основном согласуются с результатами измерений. Из рисунка видно, что потери в проводнике более тонкой цепи (кривая слева соответствует толщине 6.6 мил) являются основной составляющей общих вносимых потерь. По мере увеличения толщины схемы (толщина, соответствующая кривой справа, составляет 10 мил), диэлектрические потери и потери в проводнике имеют тенденцию приближаться, и оба вместе составляют общие вносимые потери.

Имитационная модель на рисунке 1 и параметры материала схемы, используемые в реальной схеме, следующие: диэлектрическая постоянная 3.66, коэффициент потерь 0.0037 и шероховатость поверхности медного проводника 2.8 мкм RMS. Когда шероховатость поверхности медной фольги под тем же материалом схемы уменьшается, потери в проводнике схем 6.6 мил и 10 мил на Рисунке 1 будут значительно уменьшены; однако эффект не очевиден для цепи 20 мил. На рис. 2 показаны результаты испытаний двух материалов схем с разной шероховатостью, а именно стандартного материала схемы Rogers RO4350B ™ с высокой шероховатостью и материала схемы Rogers RO4350B LoPro ™ с низкой шероховатостью.

Как показано на рисунках 1 и 2, чем тоньше подложка схемы, тем выше вносимые потери схемы. Это означает, что когда в схему подается определенное количество СВЧ-мощности, более тонкая цепь будет выделять больше тепла. При всестороннем рассмотрении проблемы нагрева контура, с одной стороны, более тонкий контур выделяет больше тепла, чем толстый контур при высоких уровнях мощности, но с другой стороны, более тонкий контур может обеспечить более эффективный тепловой поток через радиатор. Поддерживайте относительно низкую температуру.

Чтобы решить проблему нагрева цепи, идеальная тонкая цепь должна иметь следующие характеристики: низкий коэффициент потерь материала цепи, гладкая тонкая поверхность меди, низкий εr и высокая теплопроводность. По сравнению с материалом схемы с высоким εr ширина проводника с таким же полным сопротивлением, полученная при условии низкого εr, может быть больше, что способствует уменьшению потерь в проводнике схемы. С точки зрения рассеивания тепла схемы, хотя большинство подложек высокочастотных схем печатных плат имеют очень низкую теплопроводность по сравнению с проводниками, теплопроводность материалов схемы по-прежнему является очень важным параметром.

В предыдущих статьях подробно обсуждалось множество дискуссий о теплопроводности подложек схем, и в этой статье будут цитироваться некоторые результаты и информация из предыдущих статей. Например, следующее уравнение и рисунок 3 помогают понять факторы, связанные с тепловыми характеристиками материалов печатной платы. В уравнении k – теплопроводность (Вт / м / K), A – площадь, TH – температура источника тепла, TC – температура источника холода, L – расстояние между источником тепла и источник холода.