当高频/微波射频
信号馈入PCB电路时，电路因电路自身和电路资料引起的损耗将不可防止地发生必定的热量。损耗越大，经过PCB资料的功率越高，产 生的热量也将越大。当电路的作业温度超越额外值时，电路或许发生一些问题。例如，PCB中熟知的典型作业参数MOT，即最高作业温度。当作业温度超越 MOT时，PCB电路的功能和可靠性将遭到要挟。经过电磁建模和试验丈量结合，了解射频微波PCB的热特性有助于防止高温形成的电路功能退化和可靠性下降。
了解电路资猜中插入损耗是怎么发生的有助于更好描绘高频PCB电路热功能相关的重要要素。本文将以微带传输线电路为例评论电路热功能相 关的权衡要素。在双面PCB结构的微带电路中，损耗包含介质损耗、导体损耗、辐射损耗及走漏损耗。不同损耗成分的差值较大，除了少量例外状况，高频PCB 电路的走漏损耗一般很低。在本文中，由于走漏损耗值很低，暂时疏忽。
辐射损耗
辐射损耗取决于作业频率、电路基材厚度、PCB介电常数（相对介电常数或εr） 及规划方案等许多电路参数。就规划方案而言，辐射损耗常源于电路中不良的阻抗改换或电路中电磁波传输的差异。电路阻抗改换区域一般包含信号馈入区、阶跃阻 抗点、短截线和匹配网络。合理的电路规划能够完成滑润的阻抗改换，进而使电路辐射损耗下降。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 的或许性。从作业频率的视点来看，一般频率越高，电路的辐射损耗将越大。
和辐射损耗相关的电路资料的参数首要是介电常数和PCB资料厚度。电路基材越厚，引起辐射损耗的或许性越大；PCB资料的εr越低，电路的辐射损耗越大。归纳权衡资料特性，运用薄的电路基材能够作为抵消低εr电路资料形成的辐射损耗的一种方法。电路基材厚度和εr对电路辐射损耗的影响是由于它是频率相关的函数。当电路基材厚度不超越20mil且作业频率低于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丈量频率都低于20GHz，故本文的评论将疏忽辐射损耗对电路发热问题的影响。
在 20GHz以下疏忽辐射损耗后，微带传输线电路的插入损耗首要包含介质损耗和导体损耗两部分，这两者的比重首要取决于电路基材的厚度。关于较薄的基板，导 体损耗占首要成分。由于许多原因，一般很难精确猜测导体损耗。例如，导体的外表粗糙度对电磁波的传输特性有巨大影响。铜箔的外表粗糙度不只会改动微带线电 路的电磁波传播常数，还会添加电路的导体损耗。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比较了根据不同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。
图1.根据不同厚度PCB资料的50欧姆微带传输线电路比较
实测和仿真成果
图 1中的曲线包含实测成果和仿真成果。仿真成果是运用罗杰斯公司的MWI-2010微波阻抗核算软件得到的，MWI-2010软件引证微带线建模范畴经典论 文中的解析方程求解。图1中的测验数据是经过矢量网络剖析仪的差分长度丈量方法得到的。从图1中能够看到总损耗曲线的仿真成果和实测成果根本相吻合。从图 中能够看出，较薄电路（左面曲线对应厚度为6.6mil）的导体损耗是总插入损耗的首要成分。随电路厚度添加（右边曲线对应的厚度为10mil），介质损 耗和导体损耗趋于挨近，两者一起构成了总的插入损耗。
图1中的仿真模型和实践电路运用的电路资料参数分别为：介电常数3.66、损耗因子 0.0037、铜导体外表粗糙度2.8 um RMS。当相同的电路资料下的铜箔外表粗糙度下降时，图1中的6.6mil和10mil电路的导体损耗会显着下降；而关于20mil电路效果不显着。图2 显现了两种粗糙度不同的电路资料的测验成果，分别是粗糙度高的罗杰斯RO4350B™规范电路资料和粗糙度低的罗杰斯RO4350B LoPro™电路资料。
图2能够看到运用润滑铜箔外表基材加工微带线电路的长处。关于越薄的基材，运用润滑铜箔可显着减小插入损耗。关于 6.6mil基材，在20GHz时由于运用润滑铜箔插入损耗下降了0.3 dB；10mil基材20GHz时下降了0.22 dB；而20mil基材，插入损耗仅下降0.11 dB。
正如图1和图2所示，电路基材越薄，电路的插入损耗将相对越高。这意味着当电路馈 入必定射频微波功率时，越薄的电路将发生更多热量。在归纳权衡电路发热问题时，一方面较薄电路在高功率电平下比较于厚的电路会发生更多热量，但另一方面较 薄的电路能够经过与散热片取得更有用的暖流而坚持相对较低的温度。
为处理电路的发热问题，抱负的薄电路应该具有下述特征：电路资料低损耗因子、润滑铜薄外表、低εr和高热导率。比较于高εr的电路资料，低εr条件下得到的同一阻抗的导体宽度能够更大，这有利于减小电路的导体损耗。从电路热量耗散的视点，关于大部分高频PCB电路基材，虽然其相关于导体来说都是十分差的热传导性，但电路资料的热导率依然是一个十分重要的参数。
许多关于电路基材热导率的评论在前期文章中已被论述，本文将引证前期文章中的部分成果和信息。例如，下述等式和图3都有助于了解PCB电路资料热功能相关的 影响要素。在方程中，k是热导率（W/m/K），A是面积，TH是热源温度，TC是冷源温度，L是热源和冷源之间的间隔。
图2.根据不同介质层厚度和铜导体粗糙度的微带传输线损耗比照
热模型
图 3及其中方程是微带线电路热模型的一种简略表明。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，假定信号平面作为热源且热量是由信号平面发生的，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。虽然实践微带线 电路的热量发生进程是杂乱的，但关于简略的热模型，这样的假定是能够承受的。实践上，电路基材是一种导热很差的热导体。举例来说，铜作为杰出的热导体，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。
暖流方程解说了为什么薄的电路（更小的L）能够改进暖流并能在高功率水平下完成更佳散热。一起，在高功率条件下，比较于低热导率基材，高热导率基材能够暖流更高，能够完成更佳散热。
图3.微带传输线电路的根本热模型，信号平面是热源，带有散热片的接地平面是冷源
高 频PCB电路的功率极限值取决于该功率水平下电路发热所到达的温度。电路资料UL安全认证也能够取得资料的额外热指数（RTI），该指数是电路资料在不恶 化PCB要害功能条件下作业必定时长所答应的最大温度。当基材制造实践电路时，从热处理的视点还必须考虑一些其他要素。例如，电路还能够进行MOT评价， 用于衡量电路资料在不恶化PCB要害功能条件下作业必定时长所答应的最大温度。关于相同PCB电路资料，MOT值总是低于RTI值。
PCB 的射频微波功率巨细受限于电路的MOT和电路的作业环境。假如加载的功率导致的电路发热没有超越电路的MOT，那该功率电平是能够承受的。当然，加载的功 率会导致电路发热并使电路温度超越外部环境温度。当外部温度是+25°C，加载的射频微波功率发生的热量不会超越MOT。当外部温度为+50°C时，仍给 该电路施加相同的功率水平，电路发生的热量或许超越MOT并使电路发生问题。如上剖析，高频PCB电路的功率巨细在必定程度上也依赖于外部作业环境。
影响要素
为 更好了解PCB电路热功能相关的影响要素，运用图1和图2结构的50欧姆微带传输线电路打开研讨。在相同类型的PCB资料上加工了不同厚度和不同铜粗糙度 的电路。此外，除了在低损耗PCB资料上加工紧耦合接地共面波导微带线电路外，在高损耗PCB资料上也加工了电路以进行评价。输入的射频微波功率规模为 5W到85W，一切电路在3.4GH在的回波损耗均高于18dB且以0.25英寸的掩盖铜板作为散热片。经过COOLSPAN®电热导体膜将电路掩盖在散 热片上，这种热固粘合资料的热导率为6 W/m/K。
运用红外成像仪记载必定功率条件下电路的发热状况。为确保丈量的精确性，红外成像仪视 野中的电路及其外表的色彩应该共同。运用黑漆作为外表色彩可使热成像仪取得精确的热成像图。但晦气的是，运用黑漆会添加传输线的插入损耗。插入损耗的添加 使记载的热量会有所添加，能够认为是最坏状况发生的热量。此外，由于共面波导的地线-信号线-地线区域掩盖了黑漆且该区域的电流密度较大，因而对接地共面 波导插入损耗（温升）的影响大于微带线电路。
表1展现了不同电路的电路结构、资料品种和特性参数、插入损耗及温度上升成果。该表为比照不同 电路资料的热效应供给了许多信息。例如，从表中能够比照根据相同电路基材而运用不同铜箔粗糙度的电路的热效应，3号电路运用粗糙的铜箔，4号电路运用润滑 的铜箔。与预期相同，润滑铜箔外表的电路比粗糙铜箔外表的电路的插入损耗更低，因而4号电路的温升也更小。
表1.相同功率条件下根据不同结构和资料的电路温升
比照1号电路和3号电路能够发现PCB资料厚度的改动会导致上升温度的差异。这两个电路除了PCB厚度不同外，资料品种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，当电路施加满足的射频微波功率时，插入损耗越高，发生的热量就越多。但是，如表1所示，较薄的1号电路 的上升温度实践上低于较厚的3号电路。这是由于1号电路具有更短的暖流途径L，如图3中所示。
比照1号电路和2号电路能够发现电路运用的资料完全相同，但两者的电路规划有所不同。2号电路是共面波导电路，紧耦合且在共面地线-信号线边际邻近带有电镀通孔（PTH）。微带传输线与共面波导传输线的结构比照如图4所示。
插入损耗
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功能。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距离为5mil，在接地导体边际 散布着一排接地过孔。这些过孔都是电镀铜孔，其作为热传导途径能够有用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十分显着的。由于两个电路都加工于相同厚度的资料上，电路的插入损耗越高意味着发生的热量越多。虽然接地共面波导电路比微带线电路产 生更多热量，但接地过孔的散热效果使得两者的温升并没有发生太大差异。
图4.用于PCB热效应研讨的传输线电路（a）微带线结构（b）2号电路对应的接地共面波导结构
图5.微带传输线仰望热成像图，极点处对应的是信号馈入点处热量
最终，比照表1中的3号电路和5号电路能够发现两者除了PCB厚度均为20mil外，其他许多参数均不同。5号电路根据低成本的FR-4电路资料，该资料在 微波频段很少运用。5号电路的插入损耗比3号电路显着高许多。此外，5号电路在热功能方面也存在许多缺乏，包含高损耗因子、低热导率以及高εr。关于50欧姆传输线而言，高εr意味着导线宽度变窄，比较于低εr的3号电路，5号电路的导体损耗更高。
关于任何电路的发热研讨，信号馈入处一般是电路的一个要害点，由于都期望将射频功率经尽或许高效的从输入端口传输到被测验的电路中。在本研讨中，一切试验都 运用Southwest Microwave（www.southwestmicrowave.com）公司供给的功能杰出的3.5mm终端接头。虽然电路经过优化规划能完成杰出 的信号馈入，但信号馈入区邻近一直存在必定程度的能量损耗，这会导致馈入区发生更高的热量。由于发射接头是杰出的热导体，因而部分热量能够经过接头传导到 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对应的是上述景象的电路热成像图，该电路不属于表格 1中所列电路。
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。由于信号馈入区比电路主体部分具有更多的散热片，所以两处丈量的温度不同不大，但 该差异仍值得重视。
定论
从热量操控视点剖析了插入损耗的不同要素、简易热模型以及部分首要电路资料参数怎么有助于了解高功率射频微波信号条件下PCB电路的热效应。总的来说，相对薄的电路资料、高热导率、润滑铜箔外表、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。
