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

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.

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.

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.

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.