マイクロ波技術 - 高周波PCB回路の熱効果に関する議論

HFの場合/マイクロ波RF信号が供給される 高周波PCB回路 板, 回路自体及び回路材料に起因する損失は必然的にある量の熱を発生させる. 損失が大きい, PCB材料を通過する電力が高い, そして、生成される熱がより大きい. 回路の動作温度が定格値を超えるとき, いくつかの問題が発生します. 例えば, PCBに知られている典型的な動作パラメータは、MOTまたは最大動作温度である. 作動温度がMOTを超えるとき, のパフォーマンスと信頼性 PCB回路 脅かされる. 電磁モデリングと実験測定の組合せによる, の熱特性の理解 RFマイクロ波PCB 高温による回路性能劣化と信頼性劣化を回避できる.

放射損失

放射損失は、動作周波数、回路基板の厚さ、PCBの誘電率（比誘電率、又は、放射線R）、及び設計スキームのような他の多くの回路パラメータに依存する。設計スキームに関しては、放射損失は、回路におけるインピーダンス変換不良や回路内の電磁波伝送の違いに起因することが多い。回路インピーダンス変換領域は、通常、信号入力領域、ステップインピーダンスポイント、スタブライン、及び整合ネットワークを含む。滑らかなインピーダンス変換を実現し，回路の放射損失を低減できる。もちろん、放射損失につながる回路の任意の界面でインピーダンス不整合の可能性があることが認識されるべきである。動作周波数の観点から、周波数が高いほど、回路の放射損失が大きくなる。

放射損失に関連する回路材料のパラメータは，誘電率とpcb材料の厚さを中心にしている。回路基板を厚くすると、放射損失の可能性が大きくなる基板材料の放射線損失が大きいほど、回路の放射損失が大きくなる。薄い回路基板の使用は、材料特性の組合せにおいて低残余R回路材料に起因する放射損失を相殺する方法として使用することができる。回路の放射損失に対する基板厚さとδrの影響は周波数依存関数であるためである。回路基板の厚さが20 mil以下であり、動作周波数が20 GHzよりも小さい場合、回路の放射損失は非常に低い。この論文における回路モデリングと測定周波数の大部分は20 ghz以下であるので，回路加熱に対する放射損失の影響は無視される。

20 GHz以下で放射損失が無視された後、マイクロストリップ伝送線路回路の挿入損失は、主に回路基板の厚さに依存する誘電損失と導体損失の2つの部分を含む。より薄い基板に対しては、導体損失が主な構成要素である。多くの理由から、導体損を正確に予測することは困難である。例えば、導体の表面粗さは電磁波の伝搬特性に大きな影響を与える。銅箔の表面粗さはマイクロストリップ線路回路の電磁波伝搬定数を変化させるだけでなく導体損失を増加させる。表皮効果により，銅箔の粗さが導体損に及ぼす影響も周波数に関係している。

2サーマルモデル

マイクロストリップ線路回路では、頂部導体層が信号面として作用し、底部導体層が接地面として作用し、誘電体層が2つの平面の間に充填される。信号面が熱源として作用し、信号面によって熱が発生し、接地面がヒートシンクを有し、コールド源として機能し、基板が信号線から接地面に熱を伝達する熱伝導体として機能すると仮定する。マイクロストリップ回路における実際の発熱過程は複雑であるが，この仮定は簡単な熱モデルに対して許容できる。回路基板は非常に貧しい熱伝導体である。例えば、銅は、400 W／m／ケイの熱伝導率の良い熱伝導体であるしかし、ほとんどの市販のPCB基板の熱伝導率は、この値よりはるかに小さい。同時に、低電力伝導性基板と比較して、高電力条件の下で、高い熱伝導性基板は、より高い熱流およびより良い放熱を達成することができる。

PCBのRFマイクロ波電力は回路のMOTと回路の動作環境によって制限される. 負荷電力が回路のMOTよりも加熱されない場合、電力レベルは許容できる. もちろん, ロードされた電力は、回路が加熱され、回路の温度が外部の周囲温度を超えさせる. When the external temperature is +25°C, ロードされたRFマイクロ波パワーによって発生する熱は、MOTを超えない. When the same power level is applied to the circuit at an external temperature of +50°C, 回路によって生成された熱は、MOTを超えて回路に問題を引き起こす可能性がある. 上記分析, 力 高周波PCB 回路基板 また、ある程度の外部作業環境に依存します.

影響因子

の熱的性能に影響する要因をよりよく理解するために PCB回路, 図1及び図2の構造を有する50オームマイクロストリップ伝送線路回路を用いて研究を行った. 異なる厚さと異なる銅粗さを有する回路を同じ種類のPCB材料に機械加工した. 加えて, 低損失に加工した密着結合接地コプレーナ導波路マイクロストリップ回路に加えて PCB材料, 回路は高損失で機械加工された PCB材料 評価のために. 入力RFマイクロ波電力は5 Wから85 Wの範囲である, すべての回路は3 dBで18 dBより大きいリターン損失を有する.0で4 GH.25インチカバード銅フィン. 回路は、Coolspan. この熱硬化性接着材は、6 Wの熱伝導率を有する/m/K.

一定の電力条件下で回路加熱を記録するために赤外線イメージャを使用した。測定の正確さを確実にするために、赤外線イメージャの視野内の回路およびその表面の色は、一貫しているべきである。表面色として黒色塗料を用いることにより，熱イメージャが正確な熱画像を得ることができる。欠点は、黒い塗料を使用することにより、伝送ライン上の挿入損失が増加することである。挿入損失の増加は、記録された熱の増加をもたらします。そして、それは最悪の熱と考えられることができます。さらに、コプレーナ導波路のグラウンド信号-グランド領域をブラックペイントで覆い、この領域の電流密度が高いため、コプレーナ導波路に対する挿入損失（温度上昇）の影響はマイクロストリップ回路よりも大きい。

結論

熱制御の観点から, 挿入損失の異なる要因, 単純な熱モデル, そして、いくつかの主な回路材料パラメータを解析し、熱効果を理解する PCB回路 高出力RFとマイクロ波信号の条件下で. 一般に, 比較的薄い回路材料, 高熱伝導率, 平滑銅箔表面, また、低損失率は加熱効果を低下させる 高周波PCB基板 高出力RFとマイクロ波信号の条件下で.