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。

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

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。

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。