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高頻微波技術

高頻微波技術 - 如何設計微波射頻電路板的Dk

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高頻微波技術 - 如何設計微波射頻電路板的Dk

如何設計微波射頻電路板的Dk
2024-07-01
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Author:iPCB      分享文章

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

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。