Keď sa vysokofrekvenčný/mikrovlnný rádiofrekvenčný signál privádza do PCB okruhu, strata spôsobená samotným okruhom a materiálom okruhu nevyhnutne vytvorí určité množstvo tepla. Čím väčšia je strata, tým vyšší výkon prechádza materiálom PCB a tým väčšie je generované teplo. Keď prevádzková teplota okruhu prekročí menovitú hodnotu, okruh môže spôsobiť určité problémy. Napríklad typickým prevádzkovým parametrom MOT, ktorý je dobre známy pri DPS, je maximálna prevádzková teplota. Keď prevádzková teplota prekročí MOT, bude ohrozená výkonnosť a spoľahlivosť obvodu PCB. Prostredníctvom kombinácie elektromagnetického modelovania a experimentálnych meraní môže pochopenie tepelných charakteristík RF mikrovlnných PCB pomôcť vyhnúť sa zhoršeniu výkonu obvodu a zníženiu spoľahlivosti spôsobenému vysokými teplotami.

Pochopenie toho, ako dochádza k strate vloženia v materiáloch obvodov, pomáha lepšie opísať dôležité faktory súvisiace s tepelným výkonom vysokofrekvenčných obvodov PCB. V tomto článku sa ako príklad uvedie obvod mikropáskového prenosového vedenia na diskusiu o kompromisoch súvisiacich s tepelným výkonom obvodu. V mikropáskovom obvode s obojstrannou štruktúrou PCB straty zahŕňajú dielektrickú stratu, stratu vodiča, stratu žiarenia a stratu zvodom. Rozdiel medzi rôznymi zložkami straty je veľký. Až na niekoľko výnimiek je strata zvodom vysokofrekvenčných obvodov PCB vo všeobecnosti veľmi nízka. V tomto článku, keďže hodnota straty pri úniku je veľmi nízka, bude zatiaľ ignorovaná.

Radiačná strata

Strata žiarenia závisí od mnohých parametrov obvodu, ako je prevádzková frekvencia, hrúbka substrátu obvodu, dielektrická konštanta PCB (relatívna dielektrická konštanta alebo εr) a plán návrhu. Čo sa týka konštrukčných schém, strata žiarenia často pramení zo zlej transformácie impedancie v obvode alebo z rozdielov v prenose elektromagnetických vĺn v obvode. Oblasť transformácie impedancie obvodu zvyčajne zahŕňa oblasť prívodu signálu, bod skokovej impedancie, pahýľ a prispôsobovaciu sieť. Rozumný návrh obvodu môže realizovať hladkú transformáciu impedancie, čím sa zníži strata žiarenia obvodu. Samozrejme, treba si uvedomiť, že existuje možnosť nesúladu impedancie vedúceho k strate žiarenia na akomkoľvek rozhraní obvodu. Z hľadiska pracovnej frekvencie zvyčajne platí, že čím vyššia frekvencia, tým väčšia strata žiarenia obvodu.

Parametre materiálov obvodov súvisiace so stratou žiarenia sú najmä dielektrická konštanta a hrúbka materiálu DPS. Čím hrubší je substrát obvodu, tým väčšia je možnosť spôsobenia straty žiarenia; čím nižšie je εr materiálu DPS, tým väčšia je radiačná strata obvodu. Komplexné váženie materiálových charakteristík, použitie tenkých obvodových substrátov môže byť použité ako spôsob, ako kompenzovať stratu žiarenia spôsobenú materiálmi obvodov s nízkym εr. Vplyv hrúbky substrátu obvodu a εr na stratu žiarenia obvodu je spôsobený tým, že ide o funkciu závislú od frekvencie. Keď hrúbka substrátu obvodu nepresahuje 20 mil a prevádzková frekvencia je nižšia ako 20 GHz, strata žiarenia obvodu je veľmi nízka. Keďže väčšina modelovacích a meracích frekvencií obvodov v tomto článku je nižšia ako 20 GHz, diskusia v tomto článku bude ignorovať vplyv straty žiarenia na ohrev okruhu.

Po ignorovaní straty vyžarovaním pod 20 GHz zahŕňa vložená strata obvodu mikropáskového prenosového vedenia hlavne dve časti: dielektrickú stratu a stratu vodiča. Pomer týchto dvoch závisí hlavne od hrúbky substrátu obvodu. Pri tenších substrátoch je hlavnou zložkou strata vodiča. Z mnohých dôvodov je vo všeobecnosti ťažké presne predpovedať stratu vodiča. Napríklad drsnosť povrchu vodiča má obrovský vplyv na prenosové charakteristiky elektromagnetických vĺn. Drsnosť povrchu medenej fólie nielenže zmení konštantu šírenia elektromagnetických vĺn mikropáskového obvodu, ale tiež zvýši stratu vodiča obvodu. Vplyv drsnosti medenej fólie na stratu vodiča je v dôsledku skinefektu tiež frekvenčne závislý. Obrázok 1 porovnáva vložný úbytok 50 ohmových mikropáskových prenosových obvodov na základe rôznych hrúbok PCB, ktoré sú 6.6 mil a 10 mil.

25

Obrázok 1. Porovnanie obvodov 50 ohmových mikropáskových prenosových vedení založených na materiáloch PCB rôznych hrúbok

Namerané a simulované výsledky

Krivka na obrázku 1 obsahuje namerané výsledky a výsledky simulácie. Výsledky simulácie sa získali pomocou softvéru na výpočet mikrovlnnej impedancie MWI-2010 od Rogers Corporation. Softvér MWI-2010 cituje analytické rovnice v klasických článkoch v oblasti modelovania mikropáskových čiar. Skúšobné dáta na obrázku 1 sú získané metódou diferenciálneho merania dĺžky vektorovým sieťovým analyzátorom. Z obr. 1 je zrejmé, že výsledky simulácie krivky totálnej straty sú v zásade konzistentné s nameranými výsledkami. Z obrázku je vidieť, že úbytok vodiča tenšieho obvodu (krivka vľavo zodpovedá hrúbke 6.6 mil) je hlavnou zložkou celkového vložného útlmu. Keď sa hrúbka obvodu zväčšuje (hrúbka zodpovedajúca krivke vpravo je 10 mil), dielektrická strata a strata vodiča majú tendenciu sa približovať a spolu tvoria celkovú vložnú stratu.

Simulačný model na obrázku 1 a parametre materiálu obvodu použité v skutočnom obvode sú: dielektrická konštanta 3.66, stratový faktor 0.0037 a drsnosť povrchu medeného vodiča 2.8 um RMS. Keď sa drsnosť povrchu medenej fólie pod rovnakým materiálom obvodu zníži, strata vodiča v obvodoch 6.6 mil a 10 mil na obrázku 1 sa výrazne zníži; efekt však nie je zrejmý pre okruh 20 mil. Obrázok 2 zobrazuje výsledky testov dvoch materiálov obvodov s rôznou drsnosťou, a to štandardného materiálu obvodu Rogers RO4350B™ s vysokou drsnosťou a materiálu obvodu Rogers RO4350B LoPro™ s nízkou drsnosťou.

Obrázok 2 ukazuje výhody použitia hladkého povrchového substrátu z medenej fólie na spracovanie mikropáskových obvodov. Pre tenšie substráty môže použitie hladkej medenej fólie výrazne znížiť vložný úbytok. Pre substrát s hrúbkou 6.6 mil je vložená strata znížená o 0.3 dB pri 20 GHz vďaka použitiu hladkej medenej fólie; 10mil substrát je znížený o 0.22 dB pri 20 GHz; a 20mil substrátu je vložný úbytok znížený len o 0.11 dB.

Ako je znázornené na obrázku 1 a obrázku 2, čím tenší je substrát obvodu, tým vyššia je vložená strata obvodu. To znamená, že keď je obvod napájaný určitým množstvom RF mikrovlnnej energie, tým tenší obvod bude generovať viac tepla. Pri komplexnom zvážení problematiky vykurovania okruhov na jednej strane tenší okruh generuje pri vysokých výkonoch viac tepla ako hrubý okruh, na druhej strane však tenší okruh môže získať efektívnejší tok tepla cez chladič. Udržujte teplotu relatívne nízku.

Aby sa vyriešil problém vykurovania okruhu, ideálny tenký okruh by mal mať nasledujúce charakteristiky: nízky stratový faktor materiálu okruhu, hladký medený tenký povrch, nízke εr a vysokú tepelnú vodivosť. V porovnaní s materiálom obvodu s vysokým εr môže byť šírka vodiča s rovnakou impedanciou získaná za podmienok nízkej εr väčšia, čo je výhodné na zníženie straty vodiča v obvode. Z hľadiska odvodu tepla obvodov, hoci väčšina substrátov obvodov s vysokofrekvenčnými DPS má veľmi zlú tepelnú vodivosť v porovnaní s vodičmi, tepelná vodivosť obvodových materiálov je stále veľmi dôležitým parametrom.

Veľa diskusií o tepelnej vodivosti obvodových substrátov bolo vypracovaných v predchádzajúcich článkoch a tento článok bude citovať niektoré výsledky a informácie z predchádzajúcich článkov. Napríklad nasledujúca rovnica a obrázok 3 sú užitočné na pochopenie faktorov súvisiacich s tepelným výkonom materiálov obvodov PCB. V rovnici k je tepelná vodivosť (W/m/K), A je plocha, TH je teplota zdroja tepla, TC je teplota zdroja chladu a L je vzdialenosť medzi zdrojom tepla a zdroj chladu.