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

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.

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.

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.

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.