当高频/微波射频信号馈入 PCB 电路，电路本身和电路材料造成的损耗，难免会产生一定的热量。 损耗越大，通过PCB材料的功率就越大，产生的热量也越大。 当电路的工作温度超过额定值时，电路可能会出现一些问题。 例如，PCB 中众所周知的典型工作参数 MOT 是最高工作温度。 当工作温度超过 MOT 时，PCB 电路的性能和可靠性将受到威胁。 通过电磁建模和实验测量相结合，了解射频微波PCB的热特性，有助于避免高温导致的电路性能下降和可靠性下降。

了解电路材料中的插入损耗是如何发生的，有助于更好地描述与高频 PCB 电路热性能相关的重要因素。 本文将以微带传输线电路为例，讨论与电路热性能相关的权衡。 在双面PCB结构的微带电路中，损耗包括介质损耗、导体损耗、辐射损耗和泄漏损耗。 不同损耗分量之间的差异很大。 除了少数例外，高频 PCB 电路的泄漏损耗通常非常低。 在本文中，由于泄漏损失值很低，暂时忽略。

辐射损失

辐射损耗取决于许多电路参数，例如工作频率、电路基板厚度、PCB 介电常数（相对介电常数或 εr）和设计方案。 就设计方案而言，辐射损耗往往源于电路中阻抗变换不良或电路中电磁波传输的差异。 电路阻抗变换区通常包括信号馈入区、阶跃阻抗点、短截线和匹配网络。 合理的电路设计可以实现平滑的阻抗变换，从而降低电路的辐射损耗。 当然，应该认识到，在电路的任何接口处都存在阻抗失配导致辐射损耗的可能性。 从工作频率来看，通常频率越高，电路的辐射损耗越大。

与辐射损耗相关的电路材料参数主要是介电常数和PCB材料厚度。 电路基板越厚，造成辐射损耗的可能性就越大； PCB材料的εr越低，电路的辐射损耗越大。 综合权衡材料特性，采用薄电路基板可以作为抵消低εr电路材料造成的辐射损耗的一种方式。 电路基板厚度和 εr 对电路辐射损耗的影响是因为它是一个频率相关的函数。 当电路基板的厚度不超过20mil，工作频率低于20GHz时，电路的辐射损耗很低。 由于本文大部分电路建模和测量频率低于20GHz，本文讨论将忽略辐射损耗对电路发热的影响。

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

测量和模拟结果

图 1 中的曲线包含测量结果和仿真结果。 仿真结果是使用罗杰斯公司的 MWI-2010 微波阻抗计算软件获得的。 MWI-2010软件引用了微带线建模领域经典论文中的解析方程。 图1中的测试数据是通过矢量网络分析仪的差分长度测量方法获得的。 从图1可以看出，总损耗曲线的仿真结果与实测结果基本一致。 从图中可以看出，较薄电路的导体损耗（左边曲线对应6.6mil的厚度）是总插入损耗的主要成分。 随着电路厚度的增加（右侧曲线对应的厚度为10mil），介质损耗和导体损耗趋于接近，两者共同构成总插入损耗。

图1中的仿真模型和实际电路中使用的电路材料参数为：介电常数3.66，损耗因子0.0037，铜导体表面粗糙度2.8 um RMS。 当相同电路材料下的铜箔表面粗糙度降低时，图6.6中10mil和1mil电路的导体损耗会显着降低； 然而，对于20万电路，效果并不明显。 图2显示了两种不同粗糙度的电路材料的测试结果，即具有高粗糙度的Rogers RO4350B™标准电路材料和具有低粗糙度的Rogers RO4350B LoPro™电路材料。

如图1和图2所示，电路基板越薄，电路的插入损耗越高。 这意味着当电路被馈入一定量的射频微波功率时，电路越薄，产生的热量就越多。 在综合权衡电路发热问题时，一方面，在高功率水平下，较薄的电路比较厚的电路产生更多的热量，但另一方面，较薄的电路可以通过散热器获得更有效的热流。 保持相对较低的温度。

为了解决电路发热问题，理想的薄电路应具有以下特性：电路材料的损耗因数低，铜薄表面光滑，低εr和高热导率。 与高εr的电路材料相比，低εr条件下得到的相同阻抗的导体宽度可以更大，有利于降低电路的导体损耗。 从电路散热的角度来看，虽然大多数高频PCB电路基板相对于导体的导热性非常差，但电路材料的导热性仍然是一个非常重要的参数。

关于电路基板的热导率的讨论在之前的文章中有很多阐述，本文将引用之前文章中的一些结果和信息。 例如，下面的公式和图 3 有助于理解与 PCB 电路材料的热性能相关的因素。 式中，k为热导率（W/m/K），A为面积，TH为热源温度，TC为冷源温度，L为热源与热源的距离冷源。