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

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.

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.

20GHz’in altındaki radyasyon kaybı göz ardı edildikten sonra, bir mikroşerit iletim hattı devresinin ekleme kaybı esas olarak iki kısımdan oluşur: dielektrik kaybı ve iletken kaybı. İkisinin oranı esas olarak devre alt tabakasının kalınlığına bağlıdır. Daha ince alt tabakalar için ana bileşen iletken kaybıdır. Birçok nedenden dolayı iletken kaybını doğru bir şekilde tahmin etmek genellikle zordur. Örneğin, bir iletkenin yüzey pürüzlülüğü, elektromanyetik dalgaların iletim özellikleri üzerinde büyük bir etkiye sahiptir. Bakır folyonun yüzey pürüzlülüğü sadece mikroşerit devrenin elektromanyetik dalga yayılma sabitini değiştirmekle kalmayacak, aynı zamanda devrenin iletken kaybını da artıracaktır. Deri etkisi nedeniyle, bakır folyo pürüzlülüğünün iletken kaybı üzerindeki etkisi de frekansa bağlıdır. Şekil 1, sırasıyla 50 mil ve 6.6 mil olan farklı PCB kalınlıklarına dayalı 10 ohm mikroşerit iletim hattı devrelerinin ekleme kaybını karşılaştırır.

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.

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.