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微波技術

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瞭解電路板的介電常數Dk
2023-01-20
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Author:愛彼電路      分享文章

不同的電路板生產廠家,PCB的參數會有細微的差异,通過與電路板廠技術支援的溝通,得到該廠的一些參數數據。

Dk介電常數:半固化片的介電常數與厚度有關,下錶為不同型號的半固化片厚度和介電常數Dk參數。 板材的介電常數與其所用的樹脂資料有關,FR4雙面及多層電路板其介電常數為4.2—4.7,並且隨著頻率的新增會减小。

介質損耗因數df:電介質資料在交變電場作用下,由於發熱而消耗的能量稱之謂介質損耗,通常以介質損耗因數tan δ 表示。 S1141A的典型值為0.015。


高頻的PCB有哪些重要的參數?

高頻電路板基材介電常數(Dk)一定得小而穩定,一般來說是越小越好,訊號的傳送速率與資料介電常數的平方根成反比,高介電常數容易造成訊號傳輸延誤。

高頻電路板基板資料介質損耗(Df)必須小,這主要影響到訊號傳送的品質,介質損耗越小使訊號損耗也越小。

高頻電路板的阻抗——其實是指電阻和對電抗的參數,因為PCB線路要考慮接插安裝電子元件,接插後考慮導電效能和訊號傳輸效能等問題,所以必然要求阻抗越低越好。

高頻電路板基材吸水性要低,吸水性高就會在受潮時造成介電常數與介質損耗。

高頻電路板

高頻電路板

為了滿足不同應用的信號完整性的要求,PCB不僅要測試S參數、TDR阻抗,還需要對資料本身的物理特性介電常數、介電損耗進行分析。 準確的介電常數不僅可以實現有效設計,還可以使得模擬和產品的真實測試結果更符合,提高設計開發的效率,對於PCB資料供應商包含PCB生產研發商具有重要的意義。

1、我們常用的電路板PCB介質是FR-4資料的,相對空氣的介電常數是4.2-4.7。 這個介電常數是會隨溫度變化的,在0-70度的溫度範圍內,其最大變化範圍可以達到20%。 介電常數的變化會導致線路延時10%的變化,溫度越高,延時越大。 介電常數還會隨訊號頻率變化,頻率越高介電常數越小。 100M以下可以用4.5計算板間電容以及延時。

2、一般的FR4資料的PCB板中內層訊號的傳送速率為180ps/inch(1inch=1000mil=2.54cm)。 表層一般要視情况而定,一般介於140與170之間。

3、實際的電容可以簡單等效為L、R、C串聯,電容有一個諧振點,在高頻時(超過這個諧振點)會呈現感性,電容的容值和工藝不同則這個諧振點不同,而且不同廠家生產的也會有很大差异。


這個諧振點主要取決於等效串聯電感。 現在的比如一個100nF的貼片電容等效串聯電感大概在0.5nH左右,ESR(等效串聯電阻)值為0.1歐,那麼在24M左右時濾波效果最好,對交流阻抗為0.1歐。 而一個1nF的貼片電容等效電感也為0.5nH(不同容值差异不太大),ESR為0.01歐,會在200M左右有最好的濾波效果。 為達好較好的濾波效果,我們使用不同容值的電容搭配組合。

但是,由於等效串聯電感與電容的作用,會在24M與200M之間有一個諧振點,在這個諧振點上有最大阻抗,比單個電容的阻抗還要大。

這是我們不希望得到的結果。 (在24M到200M這一段,小電容呈容性,大電容已經呈感性。

兩個電容並聯已經相當於LC並聯。 兩個電容的ESR值之和為這個LC回路的串阻。 LC並聯的話如果串阻為0,那麼在諧振點上會有一個無窮大的阻抗,在這個點上有最差的濾波效果。

這個串阻反倒會抑制這種並聯諧振現象,從而降低LC諧振器在諧振點的阻抗)。 為減輕這個影響,可以酌情使用ESR大些的電容。 ESR相當於諧振網絡裏的串阻,可以降低Q值,從而使頻率特性平坦一些。

增大ESR會使整體阻抗趨於一致。 低於24M的頻段和高於200M的頻段上,阻抗會新增,而在24M與200M頻段內,阻抗會降低。 所以也要綜合考慮板子開關雜訊的頻帶。 國外的一些設計有的板子在大小電容並聯的時候在小電容(680pF)上串幾歐的電阻,很可能是出於這種考慮。 (從上面的參數看,1nF的電容Q值是100nF電容Q值的10倍。由於手頭沒有來自廠商的具體等效串感和ESR的值,所以上面例子的參數是根據以往看到的資料推測的。

但是偏差應該不會太大。 以往多處看到的資料都是1nF和100nF的瓷片電容的諧振頻率分別為100M和10M,考慮貼片電容的L要小得多,而又沒有找到可靠的值,為講著方便就按0.5nH計算。 如果大家有具體可靠的值的話,還希望能發上來^_^) 介電常數(Dk, ε, Er)决定了電信號在該介質中傳播的速度。 電信號傳播的速度與介電常數平方根成反比。


介電常數越低,訊號傳送速度越快。 我們作個形象的比喻,就好想你在海灘上跑步,水深淹沒了你的脚踝,水的粘度就是介電常數,水越粘,代表介電常數越高,你跑的也越慢。

介電常數並不是非常容易量測或定義,它不僅與介質的本身特性有關,還與測試方法,測試頻率,測試前以及測試中的資料狀態有關。 介電常數也會隨溫度的變化而變化,有些特別的資料在開發中就考慮到溫度的因素.濕度也是影響介電常數的一個重要因素,因為水的介電常數是70,很少的水分,會引起顯著的變化.


以下是一些典型資料的介電常數(在1Mhz下):真空1.0純PTFE 2.1 GY PTFE 2.2-2.3 GX-PTFE 2.55氰酸酯/玻璃3.2氰酸酯/石英2.8-3.4聚醯亞胺-石英3.5-3.8聚醯亞胺-玻璃4.0-4.6環氧樹脂-玻璃(FR4)4.4-5.2無紡芳香胺(aramid)3.8-4.1芳香胺(織布)3.8-

4、陶瓷填充聚四氟乙烯6.0-10.2 Foamclad(Arlon專利)1.15-1.3水70.0。可以看出,對於高速、高頻應用而言,最理想的資料是由銅箔包裹的空氣介質,厚度允差在+/-0.00001“。作為資料開發,大家都在朝這個方向努力,如Arlon專利開發的Foamclad非常適合基站天線的應用。

但不是所有的設計都是介電常數越小越好,它往往根據一些實際的設計而定,一些要求體積很小的線路,常常需要高介電常數的資料,如Arlon的AR1000用在小型化線路設計.有些設計如功放,常用介電常數2.55(如Arlon Diclad527,AD255等),或者介電常數3.5(如AD350,25N/FR等).也有採用4.5介電常數的, (如AD450)主要從FR-4設計改為高頻應用,而希望沿用以前設計.


介電常數DK除了直接影響訊號的傳送速率以外,還在很大程度上决定特性阻抗,在不同的部分使得特性阻抗匹配在微波通信裏尤為重要.如果出現阻抗不匹配的現象,阻抗不匹配也稱為VSWR(駐波比). MAX2242:印刷電路板資料應選用FR4或G-10。

這類資料對大多數工作頻率在3GHz以下的低成本無線應用都是很好的選擇。 MAX2242評估板使用的是4層FR4,其介電常數為4.5,絕緣層厚度6 mil、1oz覆銅。 在設計像MAX2242這樣在2.45GHz下輸出阻抗只有大約(8 + j5)的低阻電路時,0.5nH電感就可以產生8的感抗,8的感抗相當於介電常數為4.5、厚度為6mil的FR4印刷電路板上60mil x 10mil的微帶線產生的阻抗。


諧振頻率計算:f=1/(2*3.14159*SQRT(L*C)


介電常數(Dk)决定了電信號在該介質中傳播的速度。 電信號傳播的速度與介電常數平方根成反比。 介電常數越低,訊號傳送速度越快。 作個形象的比喻,就好想你在海灘上跑步,水深淹沒了你的脚踝,水的粘度就是介電常數,水越粘,代表介電常數越高,你跑的也越慢。