Коли високочастотний/мікрохвильовий радіочастотний сигнал подається в Друкована плата ланцюга, втрати, викликані самим ланцюгом і матеріалом ланцюга, неминуче вироблять певну кількість тепла. Чим більші втрати, тим вище потужність, що проходить через матеріал друкованої плати, і тим більше виділяється тепло. Коли робоча температура контуру перевищує номінальне значення, схема може викликати деякі проблеми. Наприклад, типовим робочим параметром MOT, який добре відомий в друкованих платах, є максимальна робоча температура. Коли робоча температура перевищує ТО, продуктивність і надійність схеми друкованої плати будуть під загрозою. Завдяки комбінації електромагнітного моделювання та експериментальних вимірювань розуміння теплових характеристик РЧ мікрохвильових друкованих плат може допомогти уникнути погіршення продуктивності схеми та зниження надійності, викликаного високими температурами.

Розуміння того, як виникають вносимі втрати в матеріалах схем, допомагає краще описати важливі фактори, пов’язані з тепловими характеристиками високочастотних схем друкованих плат. У цій статті буде взято схему мікросмужкової лінії передачі як приклад, щоб обговорити компроміси, пов’язані з тепловими характеристиками схеми. У мікросмуговій схемі з двосторонньою структурою друкованої плати втрати включають втрати на діелектричні, втрати провідника, радіаційні втрати та втрати на витоку. Різниця між різними компонентами втрат велика. За деякими винятками, втрати від витоку високочастотних схем друкованих плат, як правило, дуже низькі. У цій статті, оскільки величина втрат від витоку дуже низька, на даний момент її буде проігноровано.

Радіаційні втрати

Втрати на випромінювання залежать від багатьох параметрів схеми, таких як робоча частота, товщина підкладки схеми, діелектрична проникність друкованої плати (відносна діелектрична проникність або εr) і план проектування. Що стосується проектних схем, то втрати випромінювання часто виникають через погане перетворення імпедансу в ланцюзі або відмінності в передачі електромагнітних хвиль у ланцюзі. Область перетворення імпедансу ланцюга зазвичай включає зону подачі сигналу, точку ступінчастого опору, заглушку та мережу узгодження. Розумний дизайн схеми може реалізувати плавне перетворення імпедансу, тим самим зменшуючи втрати на випромінювання схеми. Звичайно, слід розуміти, що існує можливість невідповідності імпедансу, що призведе до втрат випромінювання на будь-якому інтерфейсі ланцюга. З точки зору робочої частоти, як правило, чим вище частота, тим більше радіаційні втрати ланцюга.

Параметри матеріалів схем, пов’язані з втратами на випромінювання, в основному є діелектричною проникністю та товщиною матеріалу друкованої плати. Чим товща підкладка ланцюга, тим більше ймовірність спричинити втрату випромінювання; чим нижче εr матеріалу друкованої плати, тим більше радіаційні втрати ланцюга. При комплексному зважуванні характеристик матеріалу використання підкладок тонких ланцюгів може використовуватися як спосіб компенсації втрат на випромінювання, викликаних матеріалами ланцюга з низьким εr. Вплив товщини підкладки ланцюга та εr на втрати випромінювання контуру пояснюється тим, що це частотно-залежна функція. Коли товщина підкладки схеми не перевищує 20 mil, а робоча частота нижча за 20 ГГц, втрати на випромінювання схеми дуже низькі. Оскільки більшість частот моделювання та вимірювання схем у цій статті нижчі за 20 ГГц, обговорення в цій статті буде ігнорувати вплив втрат на випромінювання на нагрівання контуру.

Після ігнорування втрат на випромінювання нижче 20 ГГц, вносимі втрати схеми мікросмужкової лінії передачі в основному включають дві частини: втрати на діелектричних і провідникових. Пропорція двох в основному залежить від товщини підкладки схеми. Для більш тонких підкладок втрата провідника є основним компонентом. З багатьох причин, як правило, важко точно передбачити втрати провідника. Наприклад, шорсткість поверхні провідника має величезний вплив на характеристики пропускання електромагнітних хвиль. Шорсткість поверхні мідної фольги не тільки змінить константу поширення електромагнітної хвилі мікросмужкової схеми, але й збільшить втрати провідника ланцюга. Через скін-ефект вплив шорсткості мідної фольги на втрати провідника також залежить від частоти. На малюнку 1 наведено порівняння вносимих втрат схем мікросмужкової лінії передачі 50 Ом на основі різних товщин друкованих плат, які становлять 6.6 міл і 10 міл відповідно.

25

Рисунок 1. Порівняння схем мікросмужкової лінії передачі 50 Ом на основі матеріалів друкованих плат різної товщини

Виміряні та змодельовані результати

Крива на малюнку 1 містить результати вимірювань та результати моделювання. Результати моделювання отримані за допомогою програмного забезпечення для розрахунку мікрохвильового імпедансу від Rogers Corporation MWI-2010. Програмне забезпечення MWI-2010 цитує аналітичні рівняння в класичних роботах в області моделювання мікросмужкових ліній. Тестові дані на малюнку 1 отримані методом вимірювання диференціальної довжини векторного аналізатора мережі. З рис. 1 видно, що результати моделювання кривої загальних втрат в основному узгоджуються з результатами вимірювань. З малюнка видно, що втрата провідника більш тонкої ланцюга (крива ліворуч відповідає товщині 6.6 міл) є основною складовою загальних вносимих втрат. Зі збільшенням товщини ланцюга (товщина, що відповідає кривій праворуч, становить 10 mil), діелектричні втрати та втрати в провіднику мають тенденцію наближатися, і обидва разом становлять загальні вносимі втрати.

Імітаційна модель на малюнку 1 і параметри матеріалу ланцюга, використані в фактичній схемі: діелектрична проникність 3.66, коефіцієнт втрат 0.0037 і шорсткість поверхні мідного провідника 2.8 мкм RMS. Коли шорсткість поверхні мідної фольги під тим самим матеріалом ланцюга зменшується, втрати провідника в ланцюгах 6.6 міл і 10 міл на малюнку 1 будуть значно зменшені; однак, ефект не очевидний для 20-міл. На малюнку 2 показані результати випробувань двох матеріалів ланцюга з різною шорсткістю, а саме стандартного матеріалу контуру Rogers RO4350B™ з високою шорсткістю та матеріалу контуру Rogers RO4350B LoPro™ з низькою шорсткістю.

На малюнку 2 показані переваги використання гладкої поверхні з мідної фольги для обробки мікросмужкових схем. Для більш тонких підкладок використання гладкої мідної фольги може значно знизити вносимі втрати. Для підкладки 6.6 міл вносимі втрати зменшуються на 0.3 дБ на частоті 20 ГГц завдяки використанню гладкої мідної фольги; підкладка 10mil зменшується на 0.22 дБ на 20 ГГц; та підкладці 20mil, вносимі втрати зменшуються лише на 0.11 дБ.

Як показано на рисунках 1 і 2, чим тонша підкладка ланцюга, тим вище вносимі втрати ланцюга. Це означає, що коли ланцюг живиться певною кількістю радіочастотної мікрохвильової потужності, тим тонша схема буде генерувати більше тепла. При всебічному зважуванні питання опалення контуру, з одного боку, більш тонкий контур генерує більше тепла, ніж товстий контур на високих рівнях потужності, але з іншого боку, більш тонкий контур може отримати більш ефективний тепловий потік через радіатор. Підтримуйте відносно низьку температуру.

Для вирішення проблеми нагріву контуру ідеальний тонкий контур повинен мати такі характеристики: низький коефіцієнт втрат матеріалу ланцюга, гладку тонку поверхню міді, низький εr і високу теплопровідність. Порівняно з матеріалом ланцюга з високим εr, ширина провідника з тим самим імпедансом, отримана за умови низького εr, може бути більшою, що вигідно для зменшення втрат провідника в ланцюзі. З точки зору тепловіддачі ланцюга, хоча більшість високочастотних підкладок друкованих плат мають дуже погану теплопровідність порівняно з провідниками, теплопровідність матеріалів схеми все ще є дуже важливим параметром.

Багато дискусій про теплопровідність підкладок ланцюгів було розгорнуто в попередніх статтях, і в цій статті будуть цитовані деякі результати та інформація з попередніх статей. Наприклад, наведене нижче рівняння та малюнок 3 допомагають зрозуміти фактори, пов’язані з тепловими характеристиками матеріалів схем друкованих плат. У рівнянні k – теплопровідність (Вт/м/К), A – площа, TH – температура джерела тепла, TC – температура джерела холоду, L – відстань між джерелом тепла та джерело холоду.