เมื่อสัญญาณความถี่วิทยุความถี่สูง/ไมโครเวฟถูกป้อนเข้า PCB วงจรการสูญเสียที่เกิดจากตัววงจรเองและวัสดุวงจรจะสร้างความร้อนจำนวนหนึ่งอย่างหลีกเลี่ยงไม่ได้ ยิ่งสูญเสียมากเท่าใด พลังงานที่ไหลผ่านวัสดุ PCB ก็จะยิ่งสูงขึ้นเท่านั้น และความร้อนก็จะยิ่งมากขึ้นเท่านั้น เมื่ออุณหภูมิการทำงานของวงจรเกินค่าที่กำหนด วงจรอาจทำให้เกิดปัญหาบางอย่าง ตัวอย่างเช่น พารามิเตอร์การทำงานทั่วไป MOT ซึ่งเป็นที่รู้จักกันดีใน PCB คืออุณหภูมิการทำงานสูงสุด เมื่ออุณหภูมิในการทำงานสูงกว่า MOT ประสิทธิภาพและความน่าเชื่อถือของวงจร PCB จะถูกคุกคาม การผสมผสานระหว่างการสร้างแบบจำลองแม่เหล็กไฟฟ้าและการวัดทดลอง การทำความเข้าใจคุณลักษณะทางความร้อนของ PCB ไมโครเวฟ RF สามารถช่วยหลีกเลี่ยงความเสื่อมของประสิทธิภาพของวงจรและการเสื่อมความน่าเชื่อถือที่เกิดจากอุณหภูมิสูงได้

การทำความเข้าใจว่าการสูญเสียการแทรกซึมเกิดขึ้นในวัสดุวงจรช่วยอธิบายปัจจัยสำคัญที่เกี่ยวข้องกับประสิทธิภาพทางความร้อนของวงจร PCB ความถี่สูงได้ดียิ่งขึ้น บทความนี้จะใช้วงจรสายส่งไมโครสตริปเป็นตัวอย่างเพื่อหารือเกี่ยวกับการแลกเปลี่ยนที่เกี่ยวข้องกับประสิทธิภาพการระบายความร้อนของวงจร ในวงจรไมโครสตริปที่มีโครงสร้าง PCB สองด้าน การสูญเสียรวมถึงการสูญเสียไดอิเล็กตริก การสูญเสียตัวนำ การสูญเสียรังสี และการสูญเสียการรั่วไหล ความแตกต่างระหว่างองค์ประกอบการสูญเสียที่แตกต่างกันนั้นมีขนาดใหญ่ ด้วยข้อยกเว้นบางประการ การสูญเสียการรั่วไหลของวงจร PCB ความถี่สูงโดยทั่วไปจะต่ำมาก ในบทความนี้ เนื่องจากค่าการสูญเสียการรั่วไหลต่ำมาก จะถูกละเว้นในขณะนี้

การสูญเสียรังสี

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.

พารามิเตอร์ของวัสดุวงจรที่เกี่ยวข้องกับการสูญเสียรังสีส่วนใหญ่เป็นค่าคงที่ไดอิเล็กตริกและความหนาของวัสดุ PCB ยิ่งพื้นผิวของวงจรหนาขึ้นเท่าใด โอกาสที่จะเกิดการสูญเสียรังสีก็จะยิ่งมากขึ้นเท่านั้น ยิ่ง εr ของวัสดุ PCB ต่ำเท่าใด การสูญเสียรังสีของวงจรก็จะยิ่งมากขึ้นเท่านั้น การชั่งน้ำหนักลักษณะเฉพาะของวัสดุอย่างครอบคลุม การใช้พื้นผิววงจรบางสามารถใช้เป็นวิธีการชดเชยการสูญเสียการแผ่รังสีที่เกิดจากวัสดุวงจร εr ต่ำได้ อิทธิพลของความหนาของพื้นผิวของวงจรและ εr ต่อการสูญเสียการแผ่รังสีของวงจรเนื่องจากเป็นฟังก์ชันที่ขึ้นกับความถี่ เมื่อความหนาของพื้นผิววงจรไม่เกิน 20mil และความถี่ในการทำงานต่ำกว่า 20GHz การสูญเสียรังสีของวงจรจะต่ำมาก เนื่องจากการสร้างแบบจำลองวงจรและความถี่ในการวัดส่วนใหญ่ในบทความนี้ต่ำกว่า 20GHz การอภิปรายในบทความนี้จะไม่สนใจอิทธิพลของการสูญเสียการแผ่รังสีต่อการให้ความร้อนของวงจร

หลังจากละเว้นการสูญเสียการแผ่รังสีที่ต่ำกว่า 20GHz การสูญเสียการแทรกของวงจรสายส่งไมโครสตริปส่วนใหญ่ประกอบด้วยสองส่วน: การสูญเสียอิเล็กทริกและการสูญเสียตัวนำ สัดส่วนของทั้งสองส่วนใหญ่ขึ้นอยู่กับความหนาของพื้นผิววงจร สำหรับพื้นผิวที่บางลง การสูญเสียตัวนำเป็นองค์ประกอบหลัก ด้วยเหตุผลหลายประการ โดยทั่วไปจึงเป็นเรื่องยากที่จะคาดการณ์การสูญเสียตัวนำไฟฟ้าอย่างแม่นยำ ตัวอย่างเช่น ความหยาบผิวของตัวนำมีอิทธิพลอย่างมากต่อลักษณะการส่งสัญญาณของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า ความหยาบผิวของฟอยล์ทองแดงจะไม่เพียงเปลี่ยนค่าคงที่การแพร่กระจายคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าของวงจรไมโครสตริป แต่ยังเพิ่มการสูญเสียตัวนำของวงจร เนื่องจากผลกระทบทางผิวหนัง อิทธิพลของความหยาบของฟอยล์ทองแดงต่อการสูญเสียตัวนำจึงขึ้นอยู่กับความถี่ด้วย รูปที่ 1 เปรียบเทียบการสูญเสียการแทรกของวงจรสายส่งไมโครสตริป 50 โอห์มตามความหนาของ PCB ที่แตกต่างกัน ซึ่งเท่ากับ 6.6 mils และ 10 mils ตามลำดับ

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.

เพื่อแก้ปัญหาความร้อนของวงจร วงจรบางในอุดมคติควรมีลักษณะดังต่อไปนี้: ปัจจัยการสูญเสียต่ำของวัสดุวงจร พื้นผิวทองแดงบางเรียบ εr ต่ำ และค่าการนำความร้อนสูง เมื่อเปรียบเทียบกับวัสดุวงจรที่มี εr สูง ความกว้างของตัวนำของอิมพีแดนซ์เดียวกันที่ได้รับภายใต้สภาวะของ εr ต่ำอาจมีขนาดใหญ่กว่า ซึ่งเป็นประโยชน์ในการลดการสูญเสียตัวนำของวงจร จากมุมมองของการกระจายความร้อนของวงจร แม้ว่าพื้นผิววงจร PCB ความถี่สูงส่วนใหญ่จะมีค่าการนำความร้อนต่ำมากเมื่อเทียบกับตัวนำ แต่ค่าการนำความร้อนของวัสดุวงจรยังคงเป็นพารามิเตอร์ที่สำคัญมาก

บทความก่อนหน้านี้มีการอภิปรายมากมายเกี่ยวกับค่าการนำความร้อนของพื้นผิวของวงจร และบทความนี้จะอ้างอิงผลลัพธ์และข้อมูลบางส่วนจากบทความก่อนหน้านี้ ตัวอย่างเช่น สมการต่อไปนี้และรูปที่ 3 มีประโยชน์ในการทำความเข้าใจปัจจัยที่เกี่ยวข้องกับประสิทธิภาพทางความร้อนของวัสดุวงจร PCB ในสมการ k คือค่าการนำความร้อน (W/m/K) A คือพื้นที่ TH คืออุณหภูมิของแหล่งความร้อน TC คืออุณหภูมิของแหล่งกำเนิดความเย็น และ L คือระยะห่างระหว่างแหล่งความร้อนกับ แหล่งความเย็น