高頻PCB電路的輻射損耗和熱效應(yīng)的詳細(xì)分析

　　當(dāng)高頻/微波射頻信號(hào)饋入PCB電路時(shí)，電路因電路本身和電路材料引起的損耗將不可避免地產(chǎn)生一定的熱量。損耗越大，通過PCB材料的功率越高，產(chǎn)生的熱量也將越大。當(dāng)電路的工作溫度超過額定值時(shí)，電路可能產(chǎn)生一些問題。例如，PCB中熟知的典型工作參數(shù)MOT，即最高工作溫度。當(dāng)工作溫度超過MOT時(shí)，PCB電路的性能和可靠性將受到威脅。通過電磁建模和實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)合，了解射頻微波PCB的熱特性有助于避免高溫造成的電路性能退化和可靠性降低。理解電路材料中插入損耗是如何產(chǎn)生的有助于更好描述高頻PCB電路熱性能相關(guān)的重要因素。本文將以微帶傳輸線電路為例探討電路熱性能相關(guān)的權(quán)衡因素。在雙面PCB結(jié)構(gòu)的微帶電路中，損耗包括介質(zhì)損耗、導(dǎo)體損耗、輻射損耗及泄露損耗。不同損耗成分的差值較大，除了少數(shù)例外情況，高頻PCB電路的泄露損耗一般很低。在本文中，由于泄露損耗值很低，暫且忽略。

　　輻射損耗

　　輻射損耗取決于工作頻率、電路基材厚度、PCB介電常數(shù)（相對(duì)介電常數(shù)或εr）及設(shè)計(jì)方案等諸多電路參數(shù)。就設(shè)計(jì)方案而言，輻射損耗常源于電路中不良的阻抗變換或電路中電磁波傳輸?shù)牟町?。電路阻抗變換區(qū)域通常包括信號(hào)饋入?yún)^(qū)、階躍阻抗點(diǎn)、短截線和匹配網(wǎng)絡(luò)。合理的電路設(shè)計(jì)可以實(shí)現(xiàn)平滑的阻抗變換，進(jìn)而使電路輻射損耗降低。當(dāng)然，應(yīng)該意識(shí)到在電路任何接口處都存在阻抗失配導(dǎo)致輻射損耗的可能性。從工作頻率的角度來看，通常頻率越高，電路的輻射損耗將越大。和輻射損耗相關(guān)的電路材料的參數(shù)主要是介電常數(shù)和PCB材料厚度。電路基材越厚，引起輻射損耗的可能性越大；PCB材料的εr越低，電路的輻射損耗越大。綜合權(quán)衡材料特性，使用薄的電路基材可以作為抵消低εr電路材料造成的輻射損耗的一種方式。電路基材厚度和εr對(duì)電路輻射損耗的影響是因?yàn)樗穷l率相關(guān)的函數(shù)。當(dāng)電路基材厚度不超過20mil且工作頻率低于 20GHz時(shí)，電路的輻射損耗很低。由于本文中的大部分電路建模和測(cè)量頻率都低于20GHz，故本文的討論將忽略輻射損耗對(duì)電路發(fā)熱問題的影響。在20GHz以下忽略輻射損耗后，微帶傳輸線電路的插入損耗主要包含介質(zhì)損耗和導(dǎo)體損耗兩部分，這兩者的比重主要取決于電路基材的厚度。對(duì)于較薄的基板，導(dǎo)體損耗占主要成分。由于諸多原因，一般很難準(zhǔn)確預(yù)測(cè)導(dǎo)體損耗。例如，導(dǎo)體的表面粗糙度對(duì)電磁波的傳輸特性有巨大影響。銅箔的表面粗糙度不僅會(huì)改變微帶線電路的電磁波傳播常數(shù)，還會(huì)增加電路的導(dǎo)體損耗。由于趨膚效應(yīng)，銅箔粗糙度對(duì)導(dǎo)體損耗的影響也是和頻率相關(guān)的。圖1比較了基于不同PCB厚度的50歐姆微帶傳輸線電路的插入損耗，厚度分別為6.6mil、10mil。