Stała dielektryczna (Dk) i współczynnik strat (Df) płytek drukowanych wysokiej częstotliwości to podstawowe parametry określające jakość transmisji sygnału wysokiej częstotliwości. Nominalne parametry wielu producentów stwarzają problemy, takie jak nieprzejrzyste warunki testowania i fałszywe etykietowanie, co może łatwo prowadzić do pułapek w rzeczywistym projektowaniu i produkcji. Poniżej podsumowujemy podstawowe punkty wiedzy praktycznej na temat tych dwóch parametrów, aby pomóc Ci uniknąć pułapek parametrów.
Podstawowa definicja i wspólna terminologia branżowa
Stała dielektryczna (Dk/ε r): charakteryzuje zdolność podłoża PCB do gromadzenia ładunków w polu elektrycznym. W inżynierii odnosi się do względnej stałej dielektrycznej (wartość próżni wynosząca 1), która jest bezwymiarową właściwością wewnętrzną.
Współczynnik strat (Df/tg δ): Odnosi się do proporcji energii elektrycznej zamienionej na energię cieplną w jednostce czasu przez podłoże pod wpływem zmiennego pola elektrycznego o wysokiej częstotliwości, znanej również jako styczna strat dielektrycznych.
Najłatwiej przeoczyć pułapkę parametrów
Niedopasowanie częstotliwości testowej: Dk zwykłego fr4 jest zwykle mierzone przy niskiej częstotliwości 1 MHz, podczas gdy płytki drukowane wysokiej częstotliwości wymagają co najmniej 10 GHz (pasmo X-) mierzonych danych, a parametry niskiej częstotliwości w ogóle nie mogą odzwierciedlać wydajności sceny o wysokiej częstotliwości.
Wirtualne oznaczenie tolerancji nominalnej: Różnica partii Dk zwykłego fr4 może osiągnąć ± 0,2, podczas gdy tolerancja Dk kwalifikowanych materiałów o wysokiej częstotliwości powinna być kontrolowana w zakresie ± 0,02. Wirtualna tolerancja znakowania bezpośrednio spowoduje rzeczywiste odchylenie impedancji o 5-10 Ω, przekraczające wymaganą tolerancję ± 2% dla obwodów RF.
Ukrywanie stabilności środowiskowej: wiele tanich-materiałów o wysokiej częstotliwości nie ma oznaczenia stałego współczynnika temperaturowego dielektryka τ Dk. W scenariuszach zewnętrznych w zakresie od -40 stopni do+85 stopnia Dk zmienia się znacząco wraz z dryftem temperatury, bezpośrednio powodując dryf impedancji i niedopasowanie sygnału.
Wpływ wilgoci nie jest wyjaśniony: gdy stopień nasiąkliwości podłoża jest zbyt wysoki, Dk znacznie wzrośnie po wchłonięciu wody, Df synchronicznie się pogorszy, a utrata sygnału w wilgotnym środowisku znacznie przekroczy wartość nominalną.
Podstawowy wpływ dwóch parametrów na wydajność obwodu
Stała dielektryczna (Dk):
Bezpośrednio określając prędkość transmisji sygnału, im niższa wartość Dk, tym mniejsze opóźnienie propagacji sygnału i większa prędkość transmisji.
Jest to podstawowy parametr wejściowy do symulacji impedancji, a odchylenie Dk może bezpośrednio prowadzić do awarii standardowych projektów impedancji, takich jak 50 Ω/100 Ω, powodując odbicie sygnału.
Współczynnik strat (Df):
Bezpośrednio określając tłumienność sygnałów o wysokiej częstotliwości, w paśmie częstotliwości powyżej 10 GHz, strata na cal zwykłego fr4 może osiągnąć 1-2 dB, a wysokiej jakości materiały o wysokiej częstotliwości można kontrolować w zakresie 0,2 dB.
Nadmierny współczynnik Df może skutkować stratami mocy po stronie nadawczej i brakiem możliwości demodulacji słabych sygnałów po stronie odbiorczej, co bezpośrednio zmniejsza odległość komunikacyjną i czułość wykrywania radaru.
Typowe odniesienie do parametrów dla głównego nurtu blachy o wysokiej częstotliwości
| system materialny | Typowa wartość Dk (10 GHz) | Typowa wartość Df (10 GHz) | Podstawowe obowiązujące scenariusze |
|---|---|---|---|
| Zwykły FR-4 | 4.2~4.6 | ~0.02 | Obwody cyfrowe o niskiej prędkości poniżej 1 GHz |
| Seria żywic węglowo-wodorowych | 3.2~3.7 | 0.003~0.008 | Stacja bazowa 5G,-moduł optyczny o dużej prędkości |
| Seria RO4000 | 3.48~3.66 | 0.002~0.0037 | Wzmacniacz RF, radar samochodowy |
| Seria modyfikowana PTFE | 2.2~2.6 | 0.001~0.003 | Fala milimetrowa, łączność satelitarna, radar wojskowy |
Autorytatywne metody testowania powszechnie stosowane w branży
Dk i Df płytki drukowanej wysokiej częstotliwości nie mogą być testowane przy użyciu metody tabeli Q- zwykłego fr4. Powszechnie stosowaną w przemyśle metodą rezonansu linii paskowej jest pomiar częstotliwości rezonansowej rezonatora linii paskowej za pomocą analizatora sieci wektorowej w celu odwrócenia Dk i zmierzenie wartości współczynnika jakości Q w celu odwrócenia Df. Wyniki są bliższe faktycznemu stanowi pracy płytki drukowanej.