마이크로웨이브 기술 - 고주파 PCB 회로 열 효과에 대한 연구

고주파/마이크로파 무선 주파수 신호가 고주파 PCB 회로 기판에 송신될 때, 회로 자체와 회로 재료로 인한 손실은 필연적으로 일정한 열을 발생시킨다.손실이 클수록 PCB 소재를 통한 출력이 높아지고 발생하는 열도 커진다. 회로의 작동 온도가 정격 이상으로 올라가면 회로에 일부 문제가 발생할 수 있다.예를 들어, PCB에서 알려진 일반적인 작동 매개변수는 MOT 또는 최고 작동 온도입니다.작동 온도가 MOT를 초과하면 PCB 회로의 성능과 신뢰성이 위협받을 수 있습니다.전자기 모델링과 실험 측정을 결합하여 무선 주파수 마이크로파 PCB의 열 특성을 이해하면 고온으로 인한 회로 성능 저하와 신뢰성 저하를 피할 수 있습니다.

1.방사능 손실

방사선 손실은 작동 주파수, 회로 기판의 두께, PCB의 개전 상수 (상대 개전 상수 또는 섬 R) 및 설계 시나리오와 같은 많은 다른 회로 매개변수에 따라 달라집니다.설계방안면에서 복사손실은 일반적으로 회로중의 임피던스전환차나 회로중의 전자파전송의 차이로 초래된다.회로 임피던스 변환 영역은 일반적으로 신호 입력 영역, 스텝 임피던스 지점, 단절선 및 일치 네트워크를 포함합니다.합리적인 회로 설계는 매끄러운 임피던스 변환을 실현하여 회로의 복사 손실을 줄일 수 있다.물론 회로의 어떤 인터페이스에도 임피던스 미스매치의 가능성이 있어 방사능 손실을 초래한다는 것을 인식해야 한다.작업 주파수의 관점에서 볼 때, 주파수가 높을수록 회로의 복사 손실은 더 크다.

회로 재료의 방사선 손실과 관련된 매개변수는 주로 개전 상수와 PCB 재료 두께입니다.회로기판이 두꺼울수록 방사능 손실 가능성이 커진다;PCB 재료의 굴절률이 낮을수록 회로의 방사선 손실이 커진다.얇은 회로기판을 사용하면 재료특성의 조합을 통해 저도R회로재료로 인한 복사손실을 상쇄하는 방식으로 될수 있다.라이닝 두께와 섬 R이 회로 방사선 손실에 미치는 영향은 주파수 관련 함수이기 때문이다.회로 기판의 두께가 20mIL을 초과하지 않고 작동 주파수가 20GHz보다 작을 때 회로의 방사선 손실은 매우 낮다.이 문서의 대부분의 회로 모델링 및 측정 주파수는 20GHz 이하이므로 토론에서 방사선 손실이 회로 발열에 미치는 영향은 무시됩니다.

20GHz 이하에서 방사선 손실을 무시한 후, 마이크로밴드 전송선 회로의 삽입 손실은 주로 개전 손실과 도체 손실 두 부분을 포함하며, 양자의 비율은 주로 회로 기판의 두께에 달려 있다.얇은 라이닝의 경우 도체 손실이 주요 구성 부분입니다.여러 가지 원인으로 인해 도체의 손실을 정확하게 예측하기 어렵다.예를 들어 도체의 표면 거칠기는 전자파의 전파 특성에 큰 영향을 미친다.동박의 표면 조잡도는 마이크로밴드 회로의 전자파 전파 상수를 바꿀 뿐만 아니라 도체 손실도 증가시킨다.피부로 가는 효과로 인해 동박의 거칠음이 도체 손실에 미치는 영향도 빈도와 관련이 있다.

2. 열 모델

마이크로밴드 회로에서 상단 컨덕터 레이어는 신호 평면으로, 하단 컨덕터 레이어는 접지 평면으로, 개전 레이어는 두 평면 사이에 채워집니다.가령 신호 평면이 열원을 충당하고, 열은 신호 평면에서 발생하며, 접지 평면은 라디에이터를 가지고 냉원을 충당하고, 기판은 열전도체를 충당하여 열을 신호 평면에서 접지 평면으로 전달한다.비록 마이크로밴드 회로에서의 실제 발열 과정은 매우 복잡하지만, 간단한 열 모델에 있어서 이러한 가설은 받아들일 수 있다.회로기판은 매우 나쁜 열전도체이다.예를 들어, 구리는 400W/m/K의 열전도율을 가진 좋은 열전도체입니다.그러나 대부분의 상용 PCB 기판의 열전도율은 이 값보다 훨씬 낮은 0.2~0.3W/m/K에 불과하다.열 흐름 방정식은 얇은 회로 (작은 L) 가 열 흐름을 개선하고 고출력 수준에서 더 나은 열을 방출하는 이유를 설명합니다.이와 동시에 고공률조건에서 저열전도률기판에 비해 고열전도률기판은 더욱 높은 열류와 더욱 좋은 열방출을 실현할수 있다.

회로의 MOT 및 회로의 작동 환경은 PCB의 무선 주파수 마이크로파 전력을 제한합니다.부하 전력이 회로의 MOT 이상의 발열을 일으키지 않는 경우 전력 수준은 허용됩니다.물론 부하 전력은 회로에 열을 발생시켜 회로 온도가 외부 환경 온도를 초과할 수 있습니다.외부 온도가 +25 ° C이면 로드된 무선 주파수 마이크로파 전력에서 발생하는 열은 MOT를 초과하지 않습니다.+ 50 ° C의 외부 온도에서 동일한 전력 수준을 회로에 가하면 회로에서 발생하는 열이 MOT를 초과하여 회로에 문제가 발생할 수 있습니다.위에서 언급했듯이 고주파 PCB 회로 기판의 전력은 외부 작업 환경에 따라 달라집니다.

3. 영향 요소

PCB 회로의 열 성능에 영향을 미치는 요인을 더 잘 이해하기 위해 그림 1과 그림 2 구조의 50 옴 마이크로밴드 전송선 회로를 사용하여 연구했습니다.동일한 유형의 PCB 재료에 다른 두께와 다른 구리 거친도를 가진 회로를 가공합니다.또한 저손실 PCB 재료에 가공된 긴밀한 결합 접지 공면 전도 마이크로밴드 회로 외에도 고손실 PCB 재료 중 가공회로를 평가하고 있다.입력 RF 마이크로파 전력 범위는 5W에서 85W까지이며, 3.4GH의 모든 회로는 18dB보다 큰 회파 손실을 가지고 있으며 0.25인치 구리 방열 슬라이스를 가지고 있다.회로에는 COOLSPAN® 전열 전도체 필름이 칠해져 있습니다.이 열경화성 접착제 재료는 6W/m/K의 열전도율을 가지고 있다.

적외선 영상기는 특정 출력 조건에서의 회로 가열 상황을 기록하는 데 쓰인다.측정의 정확성을 확보하기 위하여 적외선영상기의 시각에서 회로와 그 표면의 색갈은 일치해야 한다.검은색 페인트를 표면 색상으로 사용하여 열 이미저가 정확한 열 이미지를 얻을 수 있도록 합니다.단점은 검은색 페인트를 사용하면 전송선의 삽입 손실이 증가한다는 것이다.삽입 손실의 증가는 기록 열량의 증가로 이어지며 이는 최악의 경우 열량으로 간주 될 수 있습니다.또한 삽입 손실 (온도 상승) 은 접지 공면 전도에 미대 회로보다 큰 영향을 미칩니다. 공면 전도의 접지-신호-접지 영역이 검은색 페인트로 덮여 있고 이 영역의 전류 밀도가 높기 때문입니다.

4. 결론

열 제어의 관점에서 삽입 손실의 다른 요소, 간단한 열 모델 및 일부 주요 회로 재료 매개변수를 분석하여 고출력 무선 주파수 및 마이크로파 신호 조건에서 PCB 회로의 열 효과를 이해했습니다.일반적으로 상대적으로 얇은 회로 재료, 높은 열전도율, 매끄러운 동박 표면, 낮은 손실 인수는 고출력 RF 및 마이크로파 신호 조건에서 고주파 PCB 회로 기판의 가열 효과를 낮추는 데 도움이됩니다.