高频PCB电路的热效应问题探讨

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。

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。

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。

图4.用于PCB热效应研究的传输线电路（a）微带线结构（b）2号电路对应的接地共面波导结构

图5.微带传输线俯视热成像图，顶点处对应的是信号馈入点处热量

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。

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。

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。

结论

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。

作者：罗杰斯公司 John Coonrod

作者简介：

John Coonrod是罗杰斯公司Chandler,AZ区域先进互联解决方案事业部的市场发展经理，联系邮箱为john.coonrod#rogerscorp.com

本文最初发表于《High Frequency Electronics.》，由英文翻译而来，如有出入，以英文为准。

参考文献：

[1] Allen Horn, III*, John Reynolds*, and JamesRautio+; *Rogers Corporation, +Sonnet software,"Conductor Profile Effects on the Propagation Constantof Microstrip Transmission Lines, IEEE MTT-S, 2010.
[2] E. Hammerstad and O. Jensen, "Accurate modelsof microstrip computer aided design", 1980 MTT-S Int.MicrowaveSymp. Dig., May 1980, pp. 407-409.
[3] John Coonrod and Allen F. Horn III, "HighFrequency Circuit Materials With Increased ThermalConductivity," High-Frequency Electronics, Vol. 9, No.11, November 2010.