När den högfrekventa/mikrovågsradiofrekvenssignalen matas in i PCB kretsen kommer förlusten som orsakas av själva kretsen och kretsmaterialet oundvikligen att generera en viss mängd värme. Ju större förlust, desto högre effekt passerar genom PCB-materialet, och desto större värme genereras. När kretsens driftstemperatur överstiger märkvärdet kan kretsen orsaka vissa problem. Till exempel är den typiska driftsparametern MOT, som är välkänd inom PCB, den maximala driftstemperaturen. När driftstemperaturen överstiger MOT, kommer prestanda och tillförlitlighet hos PCB-kretsen att hotas. Genom kombinationen av elektromagnetisk modellering och experimentella mätningar kan förståelse av de termiska egenskaperna hos RF-mikrovågskretskort hjälpa till att undvika försämring av kretsprestanda och försämring av tillförlitlighet orsakad av höga temperaturer.

Att förstå hur insättningsförlust uppstår i kretsmaterial hjälper till att bättre beskriva de viktiga faktorerna relaterade till den termiska prestandan hos högfrekventa PCB-kretsar. Den här artikeln kommer att ta mikrostriptransmissionsledningskretsen som ett exempel för att diskutera avvägningarna relaterade till kretsens termiska prestanda. I en mikrostripkrets med dubbelsidig PCB-struktur inkluderar förluster dielektriska förluster, ledarförluster, strålningsförluster och läckageförluster. Skillnaden mellan de olika förlustkomponenterna är stor. Med några få undantag är läckageförlusten hos högfrekventa PCB-kretsar i allmänhet mycket låg. I denna artikel, eftersom läckageförlustvärdet är mycket lågt, kommer det att ignoreras tills vidare.

Strålningsförlust

Strålningsförluster beror på många kretsparametrar som driftfrekvens, kretssubstrattjocklek, PCB-dielektricitetskonstant (relativ dielektricitetskonstant eller εr) och designplan. När det gäller designscheman härrör strålningsförluster ofta från dålig impedanstransformation i kretsen eller skillnader i elektromagnetisk vågöverföring i kretsen. Kretsimpedanstransformationsområde inkluderar vanligtvis signalinmatningsarea, stegimpedanspunkt, stubb och matchande nätverk. Rimlig kretsdesign kan realisera jämn impedanstransformation, och därigenom minska kretsens strålningsförlust. Naturligtvis bör det inses att det finns en möjlighet för impedansfelanpassning som leder till strålningsförlust vid vilket gränssnitt som helst av kretsen. Ur driftsfrekvenssynpunkt, vanligtvis ju högre frekvensen är, desto större är strålningsförlusten för kretsen.

Parametrarna för kretsmaterial relaterade till strålningsförlust är huvudsakligen dielektrisk konstant och PCB-materialtjocklek. Ju tjockare kretssubstratet är, desto större är möjligheten att orsaka strålningsförlust; ju lägre εr PCB-materialet har, desto större är strålningsförlusten i kretsen. Genom att övergripande väga materialegenskaper, kan användningen av tunna kretssubstrat användas som ett sätt att kompensera för strålningsförlusten som orsakas av kretsmaterial med låg εr. Inverkan av kretssubstrattjocklek och εr på kretsstrålningsförlust beror på att det är en frekvensberoende funktion. När tjockleken på kretssubstratet inte överstiger 20 mil och arbetsfrekvensen är lägre än 20 GHz, är strålningsförlusten för kretsen mycket låg. Eftersom de flesta av kretsmodellerings- och mätfrekvenserna i den här artikeln är lägre än 20GHz, kommer diskussionen i denna artikel att ignorera påverkan av strålningsförlust på kretsuppvärmning.

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

Uppmätta och simulerade resultat

Kurvan i figur 1 innehåller de uppmätta resultaten och simuleringsresultaten. Simuleringsresultaten erhålls med hjälp av Rogers Corporations MWI-2010 programvara för beräkning av mikrovågsimpedans. MWI-2010-mjukvaran citerar de analytiska ekvationerna i de klassiska tidningarna inom området mikrostrip-linjemodellering. Testdata i figur 1 erhålls genom differentiallängdsmätmetoden för en vektornätverksanalysator. Det framgår av fig. 1 att simuleringsresultaten för totalförlustkurvan i princip överensstämmer med de uppmätta resultaten. Det kan ses av figuren att ledarförlusten för den tunnare kretsen (kurvan till vänster motsvarar en tjocklek på 6.6 mil) är huvudkomponenten i den totala införingsförlusten. När kretstjockleken ökar (tjockleken som motsvarar kurvan till höger är 10 mil) tenderar den dielektriska förlusten och ledarförlusten att närma sig, och de två tillsammans utgör den totala insättningsförlusten.

Simuleringsmodellen i figur 1 och kretsmaterialparametrarna som används i den aktuella kretsen är: dielektricitetskonstant 3.66, förlustfaktor 0.0037 och kopparledarens ytråhet 2.8 um RMS. När ytjämnheten hos kopparfolien under samma kretsmaterial reduceras, kommer ledarförlusten för 6.6 mil- och 10 mil-kretsarna i figur 1 att reduceras avsevärt; effekten är dock inte uppenbar för 20 mil-kretsen. Figur 2 visar testresultaten för två kretsmaterial med olika grovhet, nämligen Rogers RO4350B™ standardkretsmaterial med hög grovhet och Rogers RO4350B LoPro™-kretsmaterial med låg grovhet.

Såsom visas i figur 1 och figur 2, ju tunnare kretssubstratet är, desto högre är införingsförlusten för kretsen. Det betyder att när kretsen matas med en viss mängd RF-mikrovågseffekt, desto tunnare genererar kretsen mer värme. Vid en omfattande vägning av frågan om kretsuppvärmning genererar å ena sidan en tunnare krets mer värme än en tjock krets vid höga effektnivåer, men å andra sidan kan en tunnare krets få ett mer effektivt värmeflöde genom kylflänsen. Håll temperaturen relativt låg.

För att lösa kretsens uppvärmningsproblem bör den ideala tunna kretsen ha följande egenskaper: låg förlustfaktor för kretsmaterialet, slät koppar tunn yta, låg εr och hög värmeledningsförmåga. Jämfört med kretsmaterialet med hög εr kan ledarbredden för samma impedans som erhålls under villkoret med låg εr vara större, vilket är fördelaktigt för att minska ledarförlusten i kretsen. Ur kretsens värmeavledningsperspektiv, även om de flesta högfrekventa PCB-kretssubstrat har mycket dålig värmeledningsförmåga i förhållande till ledare, är värmeledningsförmågan hos kretsmaterial fortfarande en mycket viktig parameter.

Många diskussioner om den termiska konduktiviteten hos kretssubstrat har utvecklats i tidigare artiklar, och den här artikeln kommer att citera några resultat och information från tidigare artiklar. Till exempel är följande ekvation och figur 3 till hjälp för att förstå faktorerna relaterade till den termiska prestandan hos PCB-kretsmaterial. I ekvationen är k värmeledningsförmågan (W/m/K), A är arean, TH är värmekällans temperatur, TC är kylkällans temperatur och L är avståndet mellan värmekällan och den kalla källan.