Η διηλεκτρική σταθερά (Dk) και ο συντελεστής απώλειας (Df) των πλακών τυπωμένων κυκλωμάτων υψηλής συχνότητας είναι οι βασικές παράμετροι που καθορίζουν την ποιότητα της μετάδοσης σήματος υψηλής συχνότητας. Οι ονομαστικές παράμετροι πολλών κατασκευαστών έχουν προβλήματα όπως οι αδιαφανείς συνθήκες δοκιμής και η ψευδής επισήμανση, τα οποία μπορούν εύκολα να οδηγήσουν σε παγίδες στον πραγματικό σχεδιασμό και την παραγωγή. Παρακάτω, θα συνοψίσουμε τα βασικά σημεία πρακτικής γνώσης αυτών των δύο παραμέτρων για να σας βοηθήσουμε να αποφύγετε τις παγίδες παραμέτρων.
Βασικός ορισμός και κοινή ορολογία βιομηχανίας
Διηλεκτρική σταθερά (Dk/ε r): χαρακτηρίζει την ικανότητα του υποστρώματος pcb να αποθηκεύει φορτία σε ηλεκτρικό πεδίο. Στη μηχανική, αναφέρεται στη σχετική διηλεκτρική σταθερά (τιμή κενού 1), η οποία είναι μια αδιάστατη εγγενής ιδιότητα.
Συντελεστής απώλειας (Df/tan δ): Αναφέρεται στην αναλογία της ηλεκτρικής ενέργειας που μετατρέπεται σε θερμική ενέργεια ανά μονάδα χρόνου από ένα υπόστρωμα κάτω από εναλλασσόμενα ηλεκτρικά πεδία υψηλής συχνότητας, γνωστή και ως εφαπτομένη της διηλεκτρικής απώλειας.
Η πιο εύκολα παραμελημένη παγίδα παραμέτρων
Αναντιστοιχία συχνότητας δοκιμής: Το Dk του συνηθισμένου fr4 μετριέται συνήθως σε χαμηλή συχνότητα 1 MHz, ενώ οι πλακέτες τυπωμένων κυκλωμάτων υψηλής συχνότητας απαιτούν τουλάχιστον 10 GHz (Χ{3}}ζώνη) μετρούμενων δεδομένων και οι παράμετροι χαμηλής συχνότητας δεν μπορούν να αντιπροσωπεύουν καθόλου την απόδοση σκηνής υψηλής συχνότητας.
Εικονική σήμανση ονομαστικής ανοχής: Η διαφορά παρτίδας Dk του συνηθισμένου fr4 μπορεί να φτάσει το ± 0,2, ενώ η ανοχή Dk για τα κατάλληλα υλικά υψηλής συχνότητας θα πρέπει να ελέγχεται εντός ± 0,02. Η ανοχή εικονικής σήμανσης θα προκαλέσει άμεσα μια πραγματική απόκλιση σύνθετης αντίστασης 5-10 Ω, που υπερβαίνει την απαίτηση ανοχής ± 2% για κυκλώματα RF.
Απόκρυψη περιβαλλοντικής σταθερότητας: Πολλά υλικά υψηλής συχνότητας χαμηλής-τιμής δεν επισημαίνουν τον συντελεστή διηλεκτρικής σταθερής θερμοκρασίας τ Dk. Σε σενάρια εξωτερικού χώρου που κυμαίνονται από -40 μοίρες έως+85 μοίρες, η Dk αλλάζει σημαντικά με τη μετατόπιση της θερμοκρασίας, προκαλώντας άμεσα μετατόπιση σύνθετης αντίστασης και αναντιστοιχία σήματος.
Η επίδραση της υγρασίας δεν εξηγείται: όταν ο ρυθμός απορρόφησης νερού του υποστρώματος είναι πολύ υψηλός, το Dk θα αυξηθεί σημαντικά μετά την απορρόφηση νερού, το Df θα επιδεινωθεί συγχρόνως και η απώλεια σήματος σε υγρά περιβάλλοντα θα υπερβεί κατά πολύ την ονομαστική τιμή.
Ο βασικός αντίκτυπος δύο παραμέτρων στην απόδοση του κυκλώματος
Διηλεκτρική σταθερά (Dk):
Καθορίζοντας απευθείας την ταχύτητα μετάδοσης του σήματος, όσο χαμηλότερη είναι η Dk, τόσο μικρότερη είναι η καθυστέρηση μετάδοσης του σήματος και τόσο μεγαλύτερη είναι η ταχύτητα μετάδοσης.
Είναι η βασική παράμετρος εισόδου για την προσομοίωση σύνθετης αντίστασης και η απόκλιση Dk μπορεί να οδηγήσει άμεσα σε αστοχία τυπικών σχεδίων σύνθετης αντίστασης όπως 50 Ω/100 Ω, προκαλώντας ανάκλαση σήματος.
Συντελεστής απώλειας (Df):
Καθορίζοντας άμεσα την απώλεια εισαγωγής σημάτων υψηλής συχνότητας, στη ζώνη συχνοτήτων πάνω από 10 GHz, η απώλεια ανά ίντσα του συνηθισμένου fr4 μπορεί να φτάσει τα 1-2 dB και τα υψηλής ποιότητας υλικά υψηλής συχνότητας μπορούν να ελεγχθούν εντός 0,2 dB.
Το υπερβολικό Df μπορεί να οδηγήσει σε σπατάλη ισχύος στο άκρο εκπομπής και αδυναμία αποδιαμόρφωσης αδύναμων σημάτων στο άκρο λήψης, μειώνοντας άμεσα την απόσταση επικοινωνίας και την ευαισθησία ανίχνευσης ραντάρ.
Τυπική αναφορά παραμέτρων για κύρια λαμαρίνα υψηλής συχνότητας
| σύστημα υλικού | Τυπική τιμή Dk (10 GHz) | Τυπική τιμή Df (10 GHz) | Βασικά ισχύοντα σενάρια |
|---|---|---|---|
| Συνηθισμένο FR-4 | 4.2~4.6 | ~0.02 | Ψηφιακά κυκλώματα χαμηλής ταχύτητας κάτω από 1 GHz |
| Σειρά ρητίνης υδρογόνου άνθρακα | 3.2~3.7 | 0.003~0.008 | Σταθμός βάσης 5G, οπτική μονάδα υψηλής-ταχύτητας |
| Σειρά RO4000 | 3.48~3.66 | 0.002~0.0037 | Ενισχυτής RF, ραντάρ αυτοκινήτου |
| Τροποποιημένη σειρά PTFE | 2.2~2.6 | 0.001~0.003 | Κύμα χιλιοστών, δορυφορική επικοινωνία, στρατιωτικό ραντάρ |
Έγκυρες μέθοδοι δοκιμών που χρησιμοποιούνται συνήθως στη βιομηχανία
Το Dk και το Df της πλακέτας τυπωμένου κυκλώματος υψηλής συχνότητας δεν μπορούν να ελεγχθούν χρησιμοποιώντας τη μέθοδο Q{0}}πίνακας του συνηθισμένου fr4. Η ευρέως χρησιμοποιούμενη μέθοδος συντονισμού λωρίδας στη βιομηχανία είναι η μέτρηση της συχνότητας συντονισμού του συντονιστή γραμμής ταινίας χρησιμοποιώντας έναν αναλυτή διανυσματικού δικτύου για την αντιστροφή Dk και τη μέτρηση της τιμής του συντελεστή ποιότητας Q για την αναστροφή Df. Τα αποτελέσματα είναι πιο κοντά στην πραγματική κατάσταση λειτουργίας του PCB.