Dielektrična konstanta (Dk) in faktor izgube (Df) visokofrekvenčnih tiskanih vezij sta osnovna parametra, ki določata kakovost prenosa visokofrekvenčnega signala. Številni nazivni parametri proizvajalcev imajo težave, kot so nepregledni preskusni pogoji in lažno označevanje, kar lahko zlahka privede do pasti pri dejanskem načrtovanju in proizvodnji. Spodaj bomo povzeli temeljna praktična znanja teh dveh parametrov, da se boste lažje izognili pastem parametrov.
Osnovna definicija in splošna terminologija v industriji
Dielektrična konstanta (Dk/ε r): označuje sposobnost substrata PCB, da shrani naboje v električnem polju. V tehniki se nanaša na relativno dielektrično konstanto (vakuumska vrednost 1), ki je brezdimenzijska intrinzična lastnost.
Faktor izgube (Df/tan δ): Nanaša se na delež električne energije, ki jo substrat pretvori v toplotno energijo na časovno enoto pod visokofrekvenčnimi izmeničnimi električnimi polji, znan tudi kot tangens dielektrične izgube.
Najlažje spregledana past parametrov
Neusklajenost preskusne frekvence: Dk navadnega fr4 se običajno meri pri nizki frekvenci 1MHz, medtem ko visokofrekvenčna tiskana vezja zahtevajo vsaj 10GHz (X-pas) izmerjenih podatkov, nizkofrekvenčni parametri pa sploh ne morejo predstavljati visokofrekvenčnega delovanja scene.
Navidezno označevanje nazivne tolerance: Razlika serije Dk navadnega fr4 lahko doseže ± 0,2, medtem ko je treba toleranco Dk kvalificiranih visokofrekvenčnih materialov nadzorovati znotraj ± 0,02. Toleranca navideznega označevanja bo neposredno povzročila dejansko odstopanje impedance 5–10 Ω, kar bo preseglo tolerančno zahtevo ± 2 % za RF vezja.
Prikrivanje okoljske stabilnosti: veliko nizko{0}}cenovnih visokofrekvenčnih materialov ne označuje temperaturnega koeficienta dielektrične konstante τ Dk. V scenarijih na prostem, ki segajo od -40 stopinj do +85 stopinj, se Dk znatno spremeni s temperaturnim odmikom, kar neposredno povzroči odmik impedance in neujemanje signala.
Vpliv vlažnosti ni pojasnjen: ko je stopnja absorpcije vode substrata previsoka, se bo Dk po absorpciji vode znatno povečal, Df se bo sinhrono poslabšal, izguba signala v vlažnem okolju pa bo daleč presegla nominalno vrednost.
Glavni vpliv dveh parametrov na zmogljivost vezja
Dielektrična konstanta (Dk):
Neposredno določanje hitrosti prenosa signala, nižji kot je Dk, manjša je zakasnitev širjenja signala in večja je hitrost prenosa.
To je glavni vhodni parameter za simulacijo impedance in odstopanje Dk lahko neposredno povzroči okvaro standardnih zasnov impedance, kot je 50 Ω/100 Ω, kar povzroči odboj signala.
Faktor izgube (Df):
Neposredno določanje vnesene izgube visokofrekvenčnih signalov, v frekvenčnem pasu nad 10 GHz, lahko izguba na palec običajnega fr4 doseže 1-2 dB, visokokakovostne visokofrekvenčne materiale pa je mogoče nadzorovati znotraj 0,2 dB.
Prekomerni Df lahko povzroči izgubljeno moč na oddajnem koncu in nezmožnost demoduliranja šibkih signalov na sprejemnem koncu, kar neposredno zmanjša komunikacijsko razdaljo in občutljivost radarskega zaznavanja.
Tipična referenca parametrov za visokofrekvenčno pločevino
| materialni sistem | Tipična vrednost Dk (10 GHz) | Tipična vrednost Df (10 GHz) | Osnovni primerni scenariji |
|---|---|---|---|
| Navadni FR-4 | 4.2~4.6 | ~0.02 | Digitalna vezja nizke hitrosti pod 1 GHz |
| Serija ogljikovih vodikovih smol | 3.2~3.7 | 0.003~0.008 | Osnovna postaja 5G,-hitri optični modul |
| serija RO4000 | 3.48~3.66 | 0.002~0.0037 | RF ojačevalnik, avtomobilski radar |
| PTFE modificirana serija | 2.2~2.6 | 0.001~0.003 | Milimetrski valovi, satelitska komunikacija, vojaški radar |
Merodajne metode testiranja, ki se običajno uporabljajo v industriji
Dk in Df visokofrekvenčnega tiskanega vezja ni mogoče preizkusiti z metodo tabele Q-običajnega fr4. Običajno uporabljena resonančna metoda trakastega voda v industriji je merjenje resonančne frekvence resonatorja trakastega voda z uporabo vektorskega analizatorja omrežja za invertiranje Dk in merjenje vrednosti faktorja kakovosti Q za invertiranje Df. Rezultati so bližje dejanskemu delovnemu stanju tiskanega vezja.