Yüksek frekans/mikrodalga radyo frekansı sinyali cihaza beslendiğinde PCB devre, devrenin kendisinden ve devre malzemesinden kaynaklanan kayıp kaçınılmaz olarak belirli bir miktarda ısı üretecektir. Kayıp ne kadar büyük olursa, PCB malzemesinden geçen güç ve üretilen ısı o kadar yüksek olur. Devrenin çalışma sıcaklığı anma değerini aştığında devre bazı sorunlara neden olabilir. Örneğin, PCB’lerde iyi bilinen tipik çalışma parametresi MOT, maksimum çalışma sıcaklığıdır. Çalışma sıcaklığı MOT’u aştığında, PCB devresinin performansı ve güvenilirliği tehdit edilecektir. Elektromanyetik modelleme ve deneysel ölçümlerin birleşimi sayesinde, RF mikrodalga PCB’lerin termal özelliklerini anlamak, yüksek sıcaklıkların neden olduğu devre performansı bozulmasını ve güvenilirlik bozulmasını önlemeye yardımcı olabilir.

Devre malzemelerinde ekleme kaybının nasıl oluştuğunu anlamak, yüksek frekanslı PCB devrelerinin termal performansıyla ilgili önemli faktörleri daha iyi tanımlamaya yardımcı olur. Bu makale, devrenin termal performansıyla ilgili ödünleşimleri tartışmak için mikroşerit iletim hattı devresini örnek olarak alacaktır. Çift taraflı PCB yapısına sahip bir mikroşerit devrede kayıplar, dielektrik kaybı, iletken kaybı, radyasyon kaybı ve sızıntı kaybını içerir. Farklı kayıp bileşenleri arasındaki fark büyüktür. Birkaç istisna dışında, yüksek frekanslı PCB devrelerinin kaçak kaybı genellikle çok düşüktür. Bu yazıda kaçak kayıp değeri çok düşük olduğu için şimdilik göz ardı edilecektir.

radyasyon kaybı

Radyasyon kaybı, çalışma frekansı, devre alt tabaka kalınlığı, PCB dielektrik sabiti (bağıl dielektrik sabiti veya εr) ve tasarım planı gibi birçok devre parametresine bağlıdır. Tasarım şemaları söz konusu olduğunda, radyasyon kaybı genellikle devredeki zayıf empedans dönüşümünden veya devredeki elektromanyetik dalga iletimindeki farklılıklardan kaynaklanır. Devre empedansı dönüşüm alanı genellikle sinyal besleme alanı, adım empedans noktası, saplama ve eşleşen ağı içerir. Makul devre tasarımı, düzgün empedans dönüşümünü gerçekleştirebilir ve böylece devrenin radyasyon kaybını azaltabilir. Elbette, devrenin herhangi bir arayüzünde radyasyon kaybına yol açan empedans uyumsuzluğu olasılığının olduğu anlaşılmalıdır. Çalışma frekansı açısından, genellikle frekans ne kadar yüksek olursa, devrenin radyasyon kaybı da o kadar büyük olur.

Radyasyon kaybıyla ilgili devre malzemelerinin parametreleri esas olarak dielektrik sabiti ve PCB malzeme kalınlığıdır. Devre substratı ne kadar kalın olursa, radyasyon kaybına neden olma olasılığı o kadar artar; PCB malzemesinin εr değeri ne kadar düşükse devrenin radyasyon kaybı o kadar fazladır. Kapsamlı bir şekilde malzeme özellikleri tartıldığında, ince devre alt tabakalarının kullanımı, düşük εr devre malzemelerinin neden olduğu radyasyon kaybını dengelemenin bir yolu olarak kullanılabilir. Devre substrat kalınlığının ve εr’nin devre radyasyon kaybı üzerindeki etkisi, bunun frekansa bağlı bir fonksiyon olması nedeniyledir. Devre alt tabakasının kalınlığı 20mil’i geçmediğinde ve çalışma frekansı 20GHz’den düşük olduğunda, devrenin radyasyon kaybı çok düşüktür. Bu makaledeki devre modelleme ve ölçüm frekanslarının çoğu 20GHz’den düşük olduğundan, bu makaledeki tartışma radyasyon kaybının devre ısıtması üzerindeki etkisini görmezden gelecektir.

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

Ölçülen ve simüle edilen sonuçlar

Şekil 1’deki eğri, ölçülen sonuçları ve simülasyon sonuçlarını içerir. Simülasyon sonuçları Rogers Corporation’ın MWI-2010 mikrodalga empedans hesaplama yazılımı kullanılarak elde edilmiştir. MWI-2010 yazılımı, mikroşerit çizgi modelleme alanındaki klasik makalelerdeki analitik denklemleri aktarır. Şekil 1’deki test verileri, bir vektör ağ analizörünün diferansiyel uzunluk ölçüm yöntemiyle elde edilir. Toplam kayıp eğrisinin simülasyon sonuçlarının temelde ölçülen sonuçlarla tutarlı olduğu Şekil 1’den görülebilir. Şekilden, daha ince devrenin iletken kaybının (soldaki eğri 6.6 mil kalınlığa karşılık gelir) toplam ekleme kaybının ana bileşeni olduğu görülebilir. Devre kalınlığı arttıkça (sağdaki eğriye karşılık gelen kalınlık 10mil’dir), dielektrik kayıp ve iletken kaybı yaklaşma eğilimi gösterir ve ikisi birlikte toplam ekleme kaybını oluşturur.

Şekil 1’deki simülasyon modeli ve gerçek devrede kullanılan devre malzemesi parametreleri şunlardır: dielektrik sabiti 3.66, kayıp faktörü 0.0037 ve bakır iletken yüzey pürüzlülüğü 2.8 um RMS. Aynı devre malzemesinin altındaki bakır folyonun yüzey pürüzlülüğü azaltıldığında, Şekil 6.6’deki 10 mil ve 1 mil devrelerinin iletken kaybı önemli ölçüde azalacaktır; ancak, etki 20 mil devresi için açık değildir. Şekil 2, farklı pürüzlülüğe sahip iki devre malzemesinin, yani yüksek pürüzlülüğe sahip Rogers RO4350B™ standart devre malzemesi ve düşük pürüzlülüğe sahip Rogers RO4350B LoPro™ devre malzemesinin test sonuçlarını göstermektedir.

Şekil 1 ve Şekil 2’de gösterildiği gibi, devre alt tabakası ne kadar ince olursa, devrenin ekleme kaybı o kadar yüksek olur. Bu, devre belirli bir miktarda RF mikrodalga gücü ile beslendiğinde, devre ne kadar ince olursa o kadar fazla ısı üreteceği anlamına gelir. Devre ısıtma konusu kapsamlı bir şekilde ele alındığında, bir yandan daha ince bir devre, yüksek güç seviyelerinde kalın bir devreye göre daha fazla ısı üretir, ancak diğer yandan, daha ince bir devre, soğutucudan daha etkili ısı akışı elde edebilir. Sıcaklığı nispeten düşük tutun.

Devrenin ısınma problemini çözmek için ideal ince devre şu özelliklere sahip olmalıdır: devre malzemesinin düşük kayıp faktörü, pürüzsüz bakır ince yüzey, düşük εr ve yüksek ısı iletkenliği. Yüksek εr devre malzemesi ile karşılaştırıldığında, düşük εr koşulu altında elde edilen aynı empedansın iletken genişliği daha büyük olabilir, bu da devrenin iletken kaybını azaltmak için faydalıdır. Devre ısı dağılımı açısından bakıldığında, çoğu yüksek frekanslı PCB devre substratı iletkenlere göre çok zayıf termal iletkenliğe sahip olsa da, devre malzemelerinin termal iletkenliği hala çok önemli bir parametredir.

Devre substratlarının termal iletkenliği hakkında birçok tartışma önceki makalelerde detaylandırılmıştır ve bu makale önceki makalelerden bazı sonuçlar ve bilgiler aktaracaktır. Örneğin, aşağıdaki denklem ve Şekil 3, PCB devre malzemelerinin termal performansıyla ilgili faktörleri anlamada yardımcı olur. Denklemde, k termal iletkenliktir (W/m/K), A alandır, TH ısı kaynağının sıcaklığıdır, TC soğuk kaynağın sıcaklığıdır ve L ısı kaynağı ile ısı kaynağı arasındaki mesafedir. soğuk kaynak.