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PCB技術

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如何選擇電路板資料的不同介電常數值
2023-01-20
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Author:愛彼      分享文章

隨著高頻電路的迅猛發展,我們對產品的便攜性和移動性需求日益新增,囙此電路板小型化設計也得到了越來越多的關注。 電路PCB材料的選擇通常從電路板材料的介電常數(Dk)開始考慮,位於電路板眾多參數考慮的最前面。 採用慢波傳播結構的電路是一種電路小型化科技之一,但選擇Dk值較高的PCB材料是電路具有較小的尺寸的較為直接的方法。 當然,在某些特定情况下,不能一味追求選擇高介電常數的電路板材料。 實際設計中,既要能滿足電子電路的小型化尺寸,又能使電路板材料的Dk值不至於太高。


高頻印刷電路板(PCB)的物理尺寸通常與電路上傳播訊號的波長有關,波長又會隨著訊號頻率的新增而减小。 下麵電路板材料中高低Dk值的差异的快速比較了Dk值相對較低和較高的兩種PCB資料之間的差异。 根據高頻資料的不同特性,這種比較在一定程度上或多或少可以幫助工程師快速篩選出大概滿足設計需求的電路板材料,這其實也具有重要意義。


電路板基材波長相速度各向異性輻射色散損耗耦合插入損耗
低Dk
高Dk

電路板材料中高低Dk值的差异

以上述兩種不同類型的電路板材料為例,對於工作在相同頻率下的兩個射頻/微波電路,在Dk值較低的PCB資料上加工出來的電路會具有較長的波長。 由於大多數射頻/微波電路設計都基於波長的尺寸特徵,囙此具有較高Dk值的電路板材料在給定頻率下會產生較小的波長,從而導致加工出來的PCB具有較小的電路尺寸。


具有不同介電常數Dk值的電路基板材料之間的相速度差异也會成為選擇電路板資料的考慮因素之一,特別是在實現的電路功能與相速度、群延時或傳播延遲等參數十分敏感時。 Dk值較低的電路板材料比Dk值較高的電路板資料具有更快的相速度。 對於時延精確度十分敏感的電路(例如延遲線和高速數位電路),可能會受到具有不同相速度或傳播延遲的傳輸線的影響,對於此類電路,特別需要考慮所選擇電路板材料的Dk值大小。


通常情况下,電路板資料在三個維度(x,y,z)方向上的Dk值各不相同,並且這幾個值都會影響加工製作的電路的效能。 但電路板資料通常是根據其z軸(厚度)方向上的Dk值作為典型值來進行相互比較的。 電路板資料在x軸、y軸與z軸之間存在差异是很正常的現象,這種特性稱為電路板資料的各向異性。 Dk值較高資料的各向異性通常大於Dk值較低的電路板資料的各向異性,這種差异的原因是由高頻電路板資料的製造管道造成的。 儘管電路板資料在x、y平面、z軸上均具有不同的Dk值,但相對而言,x和y軸上的Dk值彼此更加接近。


x-y平面的Dk值和z軸Dk值之間的差异對於許多類型的高頻電路(例如單傳輸線或短截線)而言通常並不是那麼重要,但它確實會影響某些具有耦合特性電路的效能。 為了解决高各向異性給耦合電路帶來的影響,一些高Dk的電路板資料在設計時就已經考慮到這個影響因素,將資料的各向異性做了最小化設計(如下麵高頻電路板資料各向異性的比較,與其它材料相比,錶中TMM 10i和TMM 13i兩款電路板材料的x-y方向和z軸上Dk值已經十分接近了)。


材料型号Dk值(z轴设计)SPDR Dk值 (x-y平面)
RO3003™電路電路基板33.05
RO3006™電路基板6.57.2
RO3010™電路基板11.212.4
RO3035™電路基板3.63.7
RO3206™電路基板6.68.3
RO3210™電路基板10.813.3
RO4003C™電路基板3.553.7
RO4003C   LoPro®電路基板3.53.7
RO4350B™電路基板3.663.75
RO3003B   LoPro®電路基板3.553.75
RO4360G2™電路基板6.46.5
RT/duroid®   6002 電路基板2.942.94
RT/duroid   6006 電路基板6.458.3
RT/duroid   6010.2 LM 電路基板10.713.4
RT/duroid   5880 電路基板2.22.3
TMM® 3 電路基板3.453.4
TMM 4 電路基板4.74.8
TMM 6 電路基板6.36.5
TMM 10 電路基板9.810.8
TMM 10i 電路基板9.910.3
TMM 13i 電路基板12.212.3

高頻電路板材料各向異性的比較

電路板材料的Dk值同樣也會影響其它高頻方面的參數,包括輻射損耗、色散、耦合和插入損耗。 其中,輻射損耗是由多方面因素造成的,特別是電路自身的設計及其工作頻率,高頻電路比低頻電路具有更大的輻射損耗。 另外,基板材料的厚度也是輻射損耗影響因素之一。 同樣一個電路,相比較薄的基板,在較厚基板上加工的電路會呈現出更大的輻射損耗。 第二,電路板資料的Dk值也會對輻射損耗產生影響,Dk值較高資料設計的電路往往比Dk值較低的資料具有更低的輻射損耗。


眾所周知微帶傳輸線是色散的,而基於帶狀線的高頻電路傳輸線是非色散的。 然而,電路板資料本身是具有色散性的,色散程度取決於電路板資料的Dk隨頻率變化的程度。 通常,Dk值較高的電路板資料會比Dk值較低的電路板材料呈現出更大的色散變化。 但是也有例外,必要時可以更改電路板材料的配方,以减少材料的色散。


不同介電常數DK電路的耦合特性差异,在耦合微帶線帶通濾波器中通常容易顯現出來。 在帶通濾波器的不同諧振單元之間的耦合係數可以通過使用高介電常數的資料來新增耦合性。 耦合微帶線濾波器諧振單元之間的是通過電路板材料x-y平面來進行耦合的,囙此電路板資料的各向異性名額對於此類濾波器十分重要。 具有較高Dk值的電路板資料可用於定向耦合器和其它需要較高耦合係數的電路。 例如,由於電路訊號層和接地層之間的耦合更緊密,從電路和電路資料上輻射出來的能量較少,從而,高Dk電路板資料可使微帶電路產生更强的耦合。


兩個相似的電路,分別加工在Dk值高低不同的兩種線路基板上,可以發現,在較高Dk電路板上加工的電路通常比較低Dk的線路基板具有更高的插入損耗。 儘管資料本身不會直接引起插入損耗的差异,但是具有較高Dk值的電路板資料會使導波訊號波長變小,電路特性也會變小。 高Dk值會使訊號導線變窄,與低Dk較寬的訊號導體相比,較窄的訊號導線將帶來更大的導體損耗。 這說明在具有較高Dk值的電路板資料上加工電路時,電路的插入損耗通常高於低Dk值的電路板。

當嘗試利用高Dk電路板資料來實現電路的小型化設計時,工程師應該充分考慮Dk值變化給電路的射頻效能帶來的不同影響。

高頻電路板

採用高Dk電路路板材料是實現小尺寸高頻電路的一種常用方法。 但是,通過將低Dk和高Dk的線路板資料組合在一起,這樣可以在設計中同時兼顧兩種材料的優勢,獲得良好的電路效能。