Kada se visokofrekventni/mikrotalasni radio frekvencijski signal ubaci u ПЦБ- кола, губитак изазван самим колом и материјалом кола неизбежно ће генерисати одређену количину топлоте. Што је већи губитак, то је већа снага која пролази кроз ПЦБ материјал и већа је топлота која се ствара. Када радна температура кола пређе номиналну вредност, коло може изазвати неке проблеме. На пример, типичан радни параметар МОТ, који је добро познат у ПЦБ-има, је максимална радна температура. Када радна температура пређе МОТ, перформансе и поузданост ПЦБ кола ће бити угрожени. Кроз комбинацију електромагнетног моделирања и експерименталних мерења, разумевање термичких карактеристика РФ микроталасних ПЦБ-а може помоћи да се избегне деградација перформанси кола и деградација поузданости узрокована високим температурама.

Разумевање како долази до губитка уметања у материјалима кола помаже у бољем опису важних фактора који се односе на термичке перформансе високофреквентних ПЦБ кола. Овај чланак ће узети микротракасто коло далековода као пример за разматрање компромиса у вези са термичким перформансама кола. U mikrotrakastu kolu sa dvostranom PCB strukturom, gubici uključuju dielektrične gubitke, gubitak provodnika, gubitak zračenja i gubitak curenja. Разлика између различитих компоненти губитка је велика. Уз неколико изузетака, губитак од цурења високофреквентних ПЦБ кола је генерално веома низак. У овом чланку, пошто је вредност губитка због цурења веома мала, за сада ће бити игнорисана.

Губитак зрачења

Губитак зрачења зависи од многих параметара кола као што су радна фреквенција, дебљина подлоге кола, диелектрична константа ПЦБ-а (релативна диелектрична константа или εр) и план дизајна. Што се тиче пројектних шема, губитак радијације често потиче од лоше трансформације импедансе у колу или разлика у преносу електромагнетних таласа у колу. Област трансформације импедансе кола обично укључује област за унос сигнала, тачку импедансе корака, стуб и мрежу за усклађивање. Разуман дизајн кола може да оствари глатку трансформацију импедансе, чиме се смањује губитак радијације кола. Наравно, треба схватити да постоји могућност неусклађености импедансе која доводи до губитка зрачења на било ком интерфејсу кола. Са становишта радне фреквенције, обично што је фреквенција већа, то је већи губитак зрачења кола.

Parametri materijala kola koji se odnose na gubitak radijacije su uglavnom dielektrična konstanta i debljina PCB materijala. Što je podloga kola deblja, veća je mogućnost izazivanja gubitka zračenja; što je niži εr materijala PCB-a, veći je gubitak radijacije kola. Sveobuhvatno vagajući karakteristike materijala, upotreba supstrata tankih kola može se koristiti kao način da se nadoknadi gubitak radijacije uzrokovan materijalima kola sa niskim εr. Утицај дебљине подлоге кола и εр на губитак зрачења кола је зато што је то функција зависна од фреквенције. Када дебљина подлоге кола не прелази 20 мил, а радна фреквенција је нижа од 20 ГХз, губитак радијације кола је веома низак. Пошто је већина фреквенција моделирања и мерења кола у овом чланку нижа од 20 ГХз, дискусија у овом чланку ће занемарити утицај губитка зрачења на загревање кола.

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

Izmereni i simulirani rezultati

Крива на слици 1 садржи резултате мерења и резултате симулације. Резултати симулације су добијени коришћењем софтвера за израчунавање микроталасне импедансе компаније Рогерс Цорпоратион МВИ-2010. Софтвер МВИ-2010 цитира аналитичке једначине у класичним радовима из области моделирања микротракастих линија. Подаци теста на слици 1 су добијени методом мерења диференцијалне дужине векторског мрежног анализатора. Са слике 1 се може видети да су резултати симулације криве укупних губитака у основи конзистентни са измереним резултатима. Са слике се може видети да је губитак проводника тањег кола (крива лево одговара дебљини од 6.6 мил) главна компонента укупног губитка уметања. Како се дебљина кола повећава (дебљина која одговара кривој десно је 10 мил), диелектрични губитак и губитак проводника имају тенденцију да се приближавају, а то двоје заједно чине укупан губитак уметања.

Симулациони модел на слици 1 и параметри материјала кола који се користе у стварном колу су: диелектрична константа 3.66, фактор губитка 0.0037 и храпавост површине бакарног проводника 2.8 ум РМС. Када се храпавост површине бакарне фолије испод истог материјала кола смањи, губитак проводника у круговима од 6.6 мил и 10 мил на слици 1 ће бити значајно смањен; међутим, ефекат није очигледан за коло од 20 мил. Slika 2 prikazuje rezultate ispitivanja dva materijala kola različite hrapavosti, odnosno Rogers RO4350B™ standardnog materijala kola sa visokom hrapavošću i Rogers RO4350B LoPro™ materijala kola sa malom hrapavošću.

Као што је приказано на слици 1 и слици 2, што је тањи супстрат кола, то је већи губитак уметања кола. То значи да када се коло напаја одређеном количином РФ микроталасне снаге, тање коло ће производити више топлоте. Када се свеобухватно одмерава питање грејања кола, с једне стране, тањи круг генерише више топлоте од дебелог кола при високим нивоима снаге, али са друге стране, тањи круг може постићи ефикаснији проток топлоте кроз хладњак. Одржавајте температуру релативно ниску.

Да би се решио проблем грејања кола, идеално танко коло треба да има следеће карактеристике: низак фактор губитка материјала кола, глатку бакарну танку површину, низак εр и високу топлотну проводљивост. У поређењу са материјалом кола са високим εр, ширина проводника исте импедансе добијена под условом ниског εр може бити већа, што је корисно за смањење губитка проводника у колу. Из перспективе одвођења топлоте кола, иако већина високофреквентних подлога ПЦБ кола има веома лошу топлотну проводљивост у односу на проводнике, топлотна проводљивост материјала кола је и даље веома важан параметар.

Много дискусија о топлотној проводљивости супстрата кола је разрађено у ранијим чланцима, а овај чланак ће цитирати неке резултате и информације из ранијих чланака. На пример, следећа једначина и слика 3 су од помоћи за разумевање фактора који се односе на термичке перформансе материјала ПЦБ кола. У једначини, к је топлотна проводљивост (В/м/К), А је површина, ТХ је температура извора топлоте, ТЦ је температура извора хладноће, а Л је растојање између извора топлоте и извор хладноће.