高頻微波技術 - 如何設計微波射頻電路板的Dk

隨著頻率的不斷增加，電路板材料的相位一致性越來越難。 準確預測PCB材料的相位變化並不是一項簡單或常規的工作。 高頻高速PCB的訊號相位在很大程度上取決於由其加工而成的傳輸線的結構，以及PCB材料的介電常數（Dk）。 

介質媒介的Dk越低（例如空氣的Dk約為1.0），電磁波傳播得越快。 隨著Dk的新增，波的傳播會變慢，這種現象對傳播訊號的相位響應也會產生影響。 當傳播介質的Dk發生變化時，就會發生波形相位變化，因為較低或較高的Dk，會使訊號在傳播介質中的速度對應的變快或减慢。

PCB材料的Dk通常是各向異性的，在長度、寬度和厚度（對應x、y和z軸）三個維度中（3D）均具有不同的Dk值。 對於某些特殊類型的電路設計，不僅需要考慮Dk的差异，還必須考慮到電路的加工製造對相位的影響。 隨著PCB工作頻率的提高，尤其是在微波和毫米波頻率下，例如：如第五代（5G）蜂窩無線通訊網絡基礎設施設備、電子輔助汽車中的高級駕駛員輔助系統（ADAS），相位的穩定性和可預測性將變得越來越重要。

那麼究竟是什麼導致了PCB材料的Dk發生變化呢？ 在某些情况下，PCB上Dk的差异是由材料（例如銅表面粗糙度的變化）本身引起的。 在其他一些情况下，PCB的制造技術也會造成Dk的變化。 此外，惡劣的工作環境（例如較高的工作溫度）也會使PCB的Dk發生改變。 通過瞭解材料的特性、制造技術、工作環境、甚至Dk的測試方法，等多方面來研究PCB的Dk如何變化。 這樣能更好地理解、預測PCB的相位變化，並將其帶來的影響最小化。

各向異性是PCB材料的一種重要特性，Dk的特性非常類似於三維數學上的“張量”。 三個軸上不同的Dk值導致了三維空間中電通量和電場強度的差异。 根據電路所用的傳輸線類型，具有耦合結構電路的相位可以被材料的各向異性改變，電路的效能取決於相位在PCB材料上的方向。 一般來說，PCB材料的各向異性會隨板材的厚度和工作頻率而變化，Dk值較低的材料各向異性較小。 填充的增强材料也會造成這種變化：與沒有玻璃纖維增强的PCB材料相比，具有玻璃纖維增强的PCB材料通常具有更大的各向異性。 當相位是關鍵名額，並且PCB的Dk是電路設計建模的一部分時，描述比較兩種材料之間的Dk值應該針對的是同一個方向軸線上的Dk。

高頻電路板

電路的有效Dk取決於電磁波在特定類型傳輸線中的傳播管道。 根據傳輸線的不同，電磁波一部分通過PCB的介質材料傳播，另外一部分會通過PCB周圍的空氣傳播。 空氣的Dk值（約為1.00）低於任何電路材料，囙此，有效Dk值實質上是一個組合Dk值，它由傳輸線導體中傳播的電磁波、電介質材料中傳播的電磁波，以及基底周圍空氣中傳播的電磁波共同作用而確定。 “設計Dk”就試圖提供相對“有效Dk”更為實用的Dk，因為“設計Dk”同時考慮了不同傳輸線科技、製造方法、導線、甚至量測Dk的試驗方法等多方面的綜合影響。 設計Dk是在電路形式下對材料進行測試時選取的Dk，也是在電路設計和模擬中最適合使用的Dk值。 設計Dk不是電路的有效Dk，但它是通過對有效Dk的量測來確定的材料Dk，設計Dk能反映電路真實效能。

對於特定的PCB材料，其設計Dk值可能會因為PCB不同區域的細微差异而發生變化。 例如：構成電路導線的銅箔厚度可能會不均勻，這就意味著不同銅厚的地方設計Dk都會不同，並且由這些導體形成的電路的相位響應也會跟著發生變化。 銅箔導體表面的粗糙程度也會影響設計Dk和相位響應，較光滑的銅箔（例如壓延銅）對設計Dk或相位響應的影響要小於粗糙銅箔。

PCB介質材料的不同厚度中導體銅箔表面粗糙度對設計Dk和電路的相位響應產生不同影響。 具有較厚基板的材料往往會受到銅箔導體表面粗糙度的影響較小，即使對於表面較為粗糙的銅箔導體，此時其設計Dk值也更接近於基板材料的介質Dk。

較厚的介質基板受到銅箔粗糙度的影響較小，設計Dk值相對更低。 但是，如果用較厚的PCB來生產加工電路，尤其是在訊號波長較小的毫米波頻率下，要保持訊號幅度和相位的一致性就會更加困難。 較高頻率的電路往往更適合選用較薄的PCB，而此時材料的介質部分對設計Dk和電路效能影響較小。 較薄的PCB基板在訊號損耗和相位效能方面受導體的影響會更大一些。 在毫米波頻率下，就電路材料的設計Dk而言，它們對導體特性（如銅箔表面粗糙度）的敏感性也比較厚的基板要大一些。

在射頻/微波和毫米波頻率下，電路設計工程師主要採用以下幾種常規的傳輸線科技，例如：微帶線、帶狀線、以及接地共面波導（GCPW）。 每種科技都有不同的設計方法、設計挑戰、相關優勢。 例如，GCPW電路耦合行為的差异將影響電路的設計Dk，對於緊密耦合的GCPW電路，以及具有緊密間隔的傳輸線，利用共面耦合區域之間的空氣，可以實現更高效的電磁傳播，將損耗降到最低。 通過使用較厚的銅導體，耦合導體的側壁更高，耦合區域中利用更多的空氣路徑可以最大限度地减少電路損耗，但更為重要的是理解减小銅導體厚度變化帶來的相應的影響。

許多因素都可以影響給定電路和PCB材料的設計Dk。 例如，PCB材料的溫度係數Dk（TCDk）這個名額，就是用來衡量工作溫度對設計Dk及效能的影響，較低的TCDk值表示PCB材料對溫度依賴性較小。 同樣，高相對濕度（RH）也會新增PCB材料的設計Dk，特別是對於高吸濕性的材料。 PCB材料的特性、電路製造過程、工作環境中的不確定因素，都會影響PCB材料的設計Dk。 只有瞭解這些特性，並且在設計過程中充分考慮這些因素，才能將其影響降到最低。