射频微波PCB电路的热效应问题

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射频百花潭

当高频/微波射频信号馈入PCB电路时，电路因电路本身和电路材料引起的损耗将不可避免地产生一定的热量。损耗越大，通过PCB材料的功率越高，产生的热量也将越大。当电路的工作温度超过额定值时，电路可能产生一些问题。例如，PCB中熟知的典型工作参数MOT，即最高工作温度。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结合，了解射频微波PCB的热特性有助于避免高温造成的电路性能退化和可靠性降低。
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) s$ x5 p9 q, u3 J理解电路材料中插入损耗是如何产生的有助于更好描述高频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探讨电路热性能相关的权衡因素。在双面PCB结构的微带电路中，损耗包括介质损耗、导体损耗、辐射损耗及泄露损耗。不同损耗成分的差值较大，除了少数例外情况，高频PCB电路的泄露损耗一般很低。在本文中，由于泄露损耗值很低，暂且忽略。
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! O! b; l' m" b- j1辐射损耗
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辐射损耗取决于工作频率、电路基材厚度、PCB介电常数（相对介电常数或εr）及设计方案等诸多电路参数。就设计方案而言，辐射损耗常源于电路中不良的阻抗变换或电路中电磁波传输的差异。电路阻抗变换区域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，进而使电路辐射损耗降低。当然，应该意识到在电路任何接口处都存在阻抗失配导致辐射损耗的可能性。从工作频率的角度来看，通常频率越高，电路的辐射损耗将越大。
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和辐射损耗相关的电路材料的参数主要是介电常数和PCB材料厚度。电路基材越厚，引起辐射损耗的可能性越大；PCB材料的εr越低，电路的辐射损耗越大。综合权衡材料特性，使用薄的电路基材可以作为抵消低εr电路材料造成的辐射损耗的一种方式。电路基材厚度和εr对电路辐射损耗的影响是因为它是频率相关的函数。当电路基材厚度不超过20mil且工作频率低于20GHz时，电路的辐射损耗很低。由于本文中的大部分电路建模和测量频率都低于20GHz，故本文的讨论将忽略辐射损耗对电路发热问题的影响。
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* N, q, J/ ^) c. y. @: j/ M. `在20GHz以下忽略辐射损耗后，微带传输线电路的插入损耗主要包含介质损耗和导体损耗两部分，这两者的比重主要取决于电路基材的厚度。对于较薄的基板，导体损耗占主要成分。由于诸多原因，一般很难准确预测导体损耗。例如，导体的表面粗糙度对电磁波的传输特性有巨大影响。铜箔的表面粗糙度不仅会改变微带线电路的电磁波传播常数，还会增加电路的导体损耗。由于趋肤效应，铜箔粗糙度对导体损耗的影响也是和频率相关的。图1比较了基于不同PCB厚度的50欧姆微带传输线电路的插入损耗，厚度分别为6.6mil、10mil。

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! R* S% _  @! ?$ W4 m* A' O$ U& }图2.基于不同介质层厚度和铜导体粗糙度的微带传输线损耗对比


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图3及其中方程是微带线电路热模型的一种简单表示。在微带线电路中，顶部导体层作为信号平面，底部导体层作为接地平面，两平面之间填充介质层。在图3的热模型中，假设信号平面作为热源且热量是由信号平面产生的，接地平面具有散热片且作为冷源，基材则作为热导体将热量从信号平面转移到接地平面。虽然实际微带线电路的热量产生过程是复杂的，但对于简单的热模型，这样的假设是可以接受的。实际上，电路基材是一种导热很差的热导体。举例来说，铜作为良好的热导体，其热导率为400W/m/K；而大部分商用PCB基材的热导率远小于此值，仅为0.2 到0.3 W/m/K。

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热流方程解释了为什么薄的电路（更小的L）可以改善热流并能在高功率水平下实现更佳散热。同时，在高功率条件下，相比于低热导率基材，高热导率基材能够热流更高，能够实现更佳散热。
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0 O3 H: P# }# c: S表1.相同功率条件下基于不同结构和材料的电路温升


+ S8 A2 C9 T6 K. ^9 o对比1号电路和3号电路可以发现PCB材料厚度的改变会导致上升温度的差异。这两个电路除了PCB厚度不同外，材料种类和铜的粗糙度等均相同。1号电路比3号电路更薄，其插入损耗也比3号电路高。如前所述，当电路施加足够的射频微波功率时，插入损耗越高，产生的热量就越多。然而，如表1所示，较薄的1号电路的上升温度实际上低于较厚的3号电路。这是因为1号电路具有更短的热流路径L，如图3中所示。
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对比1号电路和2号电路可以发现电路使用的材料完全相同，但两者的电路设计有所不同。2号电路是共面波导电路，紧耦合且在共面地线-信号线边缘附近带有电镀通孔（PTH）。微带传输线与共面波导传输线的结构对比如图4所示。
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5插入损耗
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紧耦合结构的共面波导电路比微带线电路具有更佳的散热性能。共面波导电路（2号电路）共面层的中心信号导体和邻近接地导体的间距为5mil，在接地导体边缘分布着一排接地过孔。这些过孔都是电镀铜孔，其作为热传导路径可以有效地将热量从信号平面转移到接地平面。如表1所示，1号微带线电路和2号接地共面波导电路的插入损耗差值是非常明显的。由于两个电路都加工于相同厚度的材料上，电路的插入损耗越高意味着产生的热量越多。尽管接地共面波导电路比微带线电路产生更多热量，但接地过孔的散热作用使得两者的温升并没有产生太大差异。
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图5.微带传输线俯视热成像图，顶点处对应的是信号馈入点处热量

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最后，对比表1中的3号电路和5号电路可以发现两者除了PCB厚度均为20mil外，其他很多参数均不同。5号电路基于低成本的FR-4电路材料，该材料在微波频段很少使用。5号电路的插入损耗比3号电路明显高很多。此外，5号电路在热性能方面也存在许多不足，包括高损耗因子、低热导率以及高εr。对于50欧姆传输线而言，高εr意味着导线宽度变窄，相比于低εr的3号电路，5号电路的导体损耗更高。
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对于任何电路的发热研究，信号馈入处通常是电路的一个关键点，因为都希望将射频功率经尽可能高效的从输入端口传输到被测试的电路中。在本研究中，所有实验都使用Southwest Microwave(www.southwestmicrowave.com)公司提供的性能良好的3.5mm终端接头。尽管电路通过优化设计能实现良好的信号馈入，但信号馈入区附近始终存在一定程度的能量损耗，这会导致馈入区产生更高的热量。由于发射接头是良好的热导体，因此部分热量可以通过接头传导到散热片。在高功率条件下，如热成像所示，电路信号馈入区域的温度要高于微带电路的主体部分的温度。图5对应的是上述情形的电路热成像图，该电路不属于表格1中所列电路。
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图5是12mil厚度50欧姆微带传输线电路的热成像图。该电路在喷涂黑漆后的插入损耗为0.23dB/in。电路信号馈入区的最高温度为+127°F，而电路主体部分的最高温度为+119°F。因为信号馈入区比电路主体部分具有更多的散热片，所以两处测量的温度差别不大，但该差异仍值得关注。
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* J) X  [! i4 x6 M8 Q5 Y; N$ z4结论

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) g# ]0 @5 D# X. b从热量控制角度分析了插入损耗的不同因素、简易热模型以及部分主要电路材料参数如何有助于理解高功率射频微波信号条件下PCB电路的热效应。总的来说，相对薄的电路材料、高热导率、光滑铜箔表面、低损耗因子等都有利于减小高功率射频微波信号条件下PCB电路的发热效应。
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本文最初发表于《High Frequency Electronics》
中文版《微波射频网》授权


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