微波技術 - 高頻PCB電路熱效應的探討

當hf/微波射頻訊號輸入 高頻PCB電路 板, 電路本身和電路資料造成的損耗必然會產生一定的熱量. 損失越大, 通過PCB資料的功率越高, 產生的熱量越大. 電路工作溫度超過額定值時, 電路可能出現一些問題. 例如, PCB已知的典型工作參數是MOT或最高工作溫度. 當工作溫度超過MOT時, 系統的效能和可靠性 PCB電路 將受到威脅. 通過電磁建模與實驗量測相結合, 瞭解 射頻微波PCB 有助於避免高溫引起的電路效能下降和可靠性下降.

1.輻射損失

輻射損耗取決於工作頻率、電路基板厚度、PCB的介電常數（相對介電常數或εR）以及許多其他電路參數，如設計方案。 就設計方案而言，輻射損耗通常是由於電路中阻抗轉換不良或電路中電磁波傳輸的差异造成的。 電路阻抗變換區通常包括訊號輸入區、階躍阻抗點、短截線和匹配網絡。 合理的電路設計可以實現平滑的阻抗變換，從而降低電路的輻射損耗。 當然，應該認識到，電路的任何介面都可能存在阻抗失配，從而導致輻射損耗。 從工作頻率來看，頻率越高，電路的輻射損耗越大。

與輻射損耗相關的電路資料參數主要是介電常數和PCB資料厚度。 電路基板越厚，輻射損失的可能性越大； PCB資料的εR越低，電路的輻射損耗越大。 使用薄電路基板可以作為一種管道，在資料特性的組合中抵消低εR電路資料造成的輻射損失。 基板厚度和εR對電路輻射損耗的影響是因為它是一個頻率相關函數。 當電路基板厚度不超過20mIL且工作頻率小於20GHz時，電路的輻射損耗非常低。 由於本文中的大多數電路建模和量測頻率都在20GHz以下，囙此在本討論中將忽略輻射損耗對電路加熱的影響。

在20GHz以下忽略輻射損耗後，微帶傳輸線電路的插入損耗主要包括介質損耗和導體損耗兩部分，其比例主要取決於電路基板的厚度。 對於較薄的襯底，導體損耗是主要的組成部分。 由於許多原因，很難準確預測導體損耗。 例如，導體的表面粗糙度對電磁波的傳播特性有著巨大的影響。 銅箔表面粗糙度不僅會改變微帶線電路的電磁波傳播常數，還會新增導體損耗。 由於集膚效應，銅箔粗糙度對導體損耗的影響也與頻率有關。

2、熱力模型

在微帶線電路中，頂部導體層用作訊號平面，底部導體層用作接地層，介電層填充在兩個平面之間。 假設訊號平面充當熱源，熱量由訊號平面產生，接地板具有散熱器並充當冷源，基板充當導熱體，將熱量從訊號平面傳遞到接地板。 雖然微帶電路中的實際發熱過程很複雜，但這種假設對於簡單的熱模型是可以接受的。 電路基板是非常差的熱導體。 例如，銅是良好的熱導體，其導熱係數為400W/m/K； 然而，大多數商用PCB基板的熱導率遠小於該值，僅為0.2至0.3W/m/K。熱流方程解釋了為什麼薄電路（較小的L）可以改善熱流，並在高功率水准下實現更好的散熱。 同時，在高功率條件下，與低熱導率基板相比，高熱導率基板可以實現更高的熱流和更好的散熱。

PCB的射頻微波功率受電路MOT和電路工作環境的限制. 如果負載功率不會導致電路發熱超過電路的MOT，則功率水准是可以接受的. 當然, 負載電源將導致電路發熱，並使電路溫度超過外部環境溫度. When the external temperature is +25°C, 加載的射頻微波功率產生的熱量不超過MOT. When the same power level is applied to the circuit at an external temperature of +50°C, 電路產生的熱量可能超過MOT並導致電路故障. 如上所述, 的力量 高頻PCB 電路板 也在一定程度上取決於外部工作環境.

3、影響因素

為了更好地瞭解影響 PCB電路, 採用圖1和圖2結構的50歐姆微帶傳輸線電路進行研究. 在同一類型的PCB資料上加工不同厚度和不同銅粗糙度的電路. 此外, 除了緊密耦合的接地共面波導微帶電路外，還加工了低損耗 PCB資料, 在高損耗上加工電路 PCB資料 用於評估. 輸入射頻微波功率範圍為5W至85W, 所有電路在3時的回波損耗均大於18dB.4GH，0.25英寸覆銅翅片. 電路塗有COOLSPAN®電熱導體膜. 這種熱固性粘合資料的導熱係數為6 W/m/K.

紅外成像儀用於記錄特定功率條件下的電路加熱情况。 為確保量測的準確性，紅外成像儀視場中電路及其表面的顏色應一致。 使用黑色塗料作為表面顏色可以使熱成像儀獲得準確的熱影像。 缺點是使用黑色塗料會新增傳輸線的插入損耗。 插入損耗的新增將導致記錄的熱量新增，這可被視為最壞情况下的熱量。 此外，插入損耗（溫昇）對地面共面波導的影響大於微帶電路的影響，因為地面訊號-共面波導的地面區域被黑色塗料覆蓋，並且該區域的電流密度很高。

4.結論

從熱控制的角度, 插入損耗的不同因素, 一個簡單的熱模型, 並對一些主電路資料參數進行了分析，以瞭解 PCB電路 在高功率射頻和微波訊號條件下. 一般來說, 相對較薄的電路資料, 高導熱性, 光滑銅箔表面, 低損耗因數有利於降低 高頻PCB電路板 在高功率射頻和微波訊號條件下.