當高頻/微波射頻信號饋入 PCB 電路，電路本身和電路材料造成的損耗，難免會產生一定的熱量。 損耗越大，通過PCB材料的功率就越大，產生的熱量也越大。 當電路的工作溫度超過額定值時，電路可能會出現一些問題。 例如，PCB 中眾所周知的典型工作參數 MOT 是最高工作溫度。 當工作溫度超過 MOT 時，PCB 電路的性能和可靠性將受到威脅。 通過電磁建模和實驗測量相結合，了解射頻微波PCB的熱特性，有助於避免高溫導致的電路性能下降和可靠性下降。

了解電路材料中的插入損耗是如何發生的，有助於更好地描述與高頻 PCB 電路熱性能相關的重要因素。 本文將以微帶傳輸線電路為例，討論與電路熱性能相關的權衡。 在雙面PCB結構的微帶電路中，損耗包括介質損耗、導體損耗、輻射損耗和洩漏損耗。 不同損耗分量之間的差異很大。 除了少數例外，高頻 PCB 電路的洩漏損耗通常非常低。 在本文中，由於洩漏損失值很低，暫時忽略。

輻射損失

輻射損耗取決於許多電路參數，例如工作頻率、電路基板厚度、PCB 介電常數（相對介電常數或 εr）和設計方案。 就設計方案而言，輻射損耗往往源​​於電路中阻抗變換不良或電路中電磁波傳輸的差異。 電路阻抗變換區通常包括信號饋入區、階躍阻抗點、短截線和匹配網絡。 合理的電路設計可以實現平滑的阻抗變換，從而降低電路的輻射損耗。 當然，應該認識到，在電路的任何接口處都存在阻抗失配導致輻射損耗的可能性。 從工作頻率來看，通常頻率越高，電路的輻射損耗越大。

與輻射損耗相關的電路材料參數主要是介電常數和PCB材料厚度。 電路基板越厚，造成輻射損耗的可能性就越大； PCB材料的εr越低，電路的輻射損耗越大。 綜合權衡材料特性，採用薄電路基板可以作為抵消低εr電路材料造成的輻射損耗的一種方式。 電路基板厚度和 εr 對電路輻射損耗的影響是因為它是一個頻率相關的函數。 當電路基板的厚度不超過20mil，工作頻率低於20GHz時，電路的輻射損耗很低。 由於本文大部分電路建模和測量頻率低於20GHz，本文討論將忽略輻射損耗對電路發熱的影響。

忽略20GHz以下的輻射損耗後，微帶傳輸線電路的插入損耗主要包括介質損耗和導體損耗兩部分。 兩者的比例主要取決於電路基板的厚度。 對於較薄的基板，導體損耗是主要組成部分。 由於許多原因，通常很難準確預測導體損耗。 例如，導體的表面粗糙度對電磁波的傳輸特性有很大的影響。 銅箔的表面粗糙度不僅會改變微帶電路的電磁波傳播常數，還會增加電路的導體損耗。 由於趨膚效應，銅箔粗糙度對導體損耗的影響也與頻率有關。 圖 1 比較了基於不同 PCB 厚度的 50 ohm 微帶傳輸線電路的插入損耗，分別為 6.6 mils 和 10 mils。

25

圖1 基於不同厚度PCB材料的50歐姆微帶傳輸線電路對比

測量和模擬結果

圖 1 中的曲線包含測量結果和仿真結果。 仿真結果是使用羅傑斯公司的 MWI-2010 微波阻抗計算軟件獲得的。 MWI-2010軟件引用了微帶線建模領域經典論文中的解析方程。 圖1中的測試數據是通過矢量網絡分析儀的差分長度測量方法獲得的。 從圖1可以看出，總損耗曲線的仿真結果與實測結果基本一致。 從圖中可以看出，較薄電路的導體損耗（左側曲線對應6.6mil的厚度）是總插入損耗的主要成分。 隨著電路厚度的增加（右側曲線對應的厚度為10mil），介質損耗和導體損耗趨於接近，兩者共同構成​​總插入損耗。

圖1中的仿真模型和實際電路中使用的電路材料參數為：介電常數3.66，損耗因子0.0037，銅導體表面粗糙度2.8 um RMS。 當相同電路材料下的銅箔表面粗糙度降低時，圖6.6中10mil和1mil電路的導體損耗將顯著降低； 然而，對於20萬電路，效果並不明顯。 圖2顯示了兩種不同粗糙度的電路材料的測試結果，即具有高粗糙度的Rogers RO4350B™標準電路材料和具有低粗糙度的Rogers RO4350B LoPro™電路材料。

圖2顯示了使用光滑的銅箔表面基板加工微帶電路的優勢。 對於較薄的基板，使用光滑的銅箔可以顯著降低插入損耗。 對於6.6mil基板，由於使用了光滑的銅箔，0.3GHz下的插入損耗降低了20dB； 10mil 基板在 0.22GHz 時降低了 20 dB； 而20mil基板，插入損耗僅降低0.11 dB。

如圖1和圖2所示，電路基板越薄，電路的插入損耗越高。 這意味著當電路被饋入一定量的射頻微波功率時，電路越薄，產生的熱量就越多。 在綜合權衡電路發熱問題時，一方面，在高功率水平下，較薄的電路比較厚的電路產生更多的熱量，但另一方面，較薄的電路可以通過散熱器獲得更有效的熱流。 保持相對較低的溫度。

為解決電路發熱問題，理想的薄電路應具有以下特點：電路材料的損耗因數低，銅薄表面光滑，低εr和高熱導率。 與高εr的電路材料相比，低εr條件下得到的相同阻抗的導體寬度可以更大，有利於降低電路的導體損耗。 從電路散熱的角度來看，雖然大多數高頻PCB電路基板相對於導體的導熱性非常差，但電路材料的導熱性仍然是一個非常重要的參數。

關於電路基板的熱導率的討論在之前的文章中有很多闡述，本文將引用之前文章中的一些結果和信息。 例如，下面的公式和圖 3 有助於理解與 PCB 電路材料的熱性能相關的因素。 式中，k為熱導率（W/m/K），A為面積，TH為熱源溫度，TC為冷源溫度，L為熱源與熱源的距離冷源。