Dielektrična konstanta (Dk) i faktor gubitka (Df) visokofrekventnih tiskanih pločica ključni su parametri koji određuju kvalitetu prijenosa visokofrekventnog signala. Nominalni parametri mnogih proizvođača imaju probleme kao što su neprozirni uvjeti ispitivanja i lažno označavanje, što lako može dovesti do zamki u stvarnom dizajnu i proizvodnji. U nastavku ćemo sažeti osnovna praktična znanja o ova dva parametra kako bismo vam pomogli da izbjegnete zamke parametara.
Osnovna definicija i uobičajena terminologija industrije
Dielektrična konstanta (Dk/ε r): karakterizira sposobnost PCB supstrata da pohranjuje naboje u električnom polju. U inženjerstvu se odnosi na relativnu dielektričnu konstantu (vrijednost vakuuma 1), koja je bezdimenzionalno intrinzično svojstvo.
Faktor gubitka (Df/tan δ): Odnosi se na udio električne energije koju supstrat pretvara u toplinsku energiju po jedinici vremena pod visokofrekventnim izmjeničnim električnim poljima, također poznat kao tangens dielektričnog gubitka.
Zamka parametara koju je najlakše previdjeti
Neusklađenost ispitne frekvencije: Dk običnog fr4 obično se mjeri na niskoj frekvenciji od 1MHz, dok visokofrekventne tiskane ploče zahtijevaju najmanje 10GHz (X-pojas) izmjerenih podataka, a niskofrekventni parametri uopće ne mogu predstavljati performanse visokofrekventne scene.
Virtualno označavanje nazivne tolerancije: Dk šaržna razlika običnog fr4 može doseći ± 0,2, dok se Dk tolerancija kvalificiranih visokofrekventnih materijala treba kontrolirati unutar ± 0,02. Tolerancija virtualnog označavanja izravno će uzrokovati stvarno odstupanje impedancije od 5-10 Ω, premašujući zahtjev tolerancije od ± 2% za RF krugove.
Prikrivanje stabilnosti okoliša: Mnogi jeftini visokofrekventni materijali ne označavaju temperaturni koeficijent dielektrične konstante τ Dk. U vanjskim scenarijima u rasponu od -40 stupnjeva do +85 stupnjeva, Dk se značajno mijenja s pomakom temperature, izravno uzrokujući pomicanje impedancije i neusklađenost signala.
Utjecaj vlage nije objašnjen: kada je stopa upijanja vode podloge previsoka, Dk će se značajno povećati nakon upijanja vode, Df će se sinkrono pogoršati, a gubitak signala u vlažnim okruženjima daleko će premašiti nominalnu vrijednost.
Osnovni utjecaj dva parametra na performanse kruga
Dielektrična konstanta (Dk):
Izravno određivanje brzine prijenosa signala, što je niži Dk, to je manje kašnjenje širenja signala i veća je brzina prijenosa.
To je osnovni ulazni parametar za simulaciju impedancije, a odstupanje Dk može izravno dovesti do kvara standardnih dizajna impedancije kao što je 50 Ω/100 Ω, uzrokujući refleksiju signala.
Faktor gubitka (Df):
Izravno određivanje unesenog gubitka visokofrekventnih signala, u frekvencijskom pojasu iznad 10 GHz, gubitak po inču običnog fr4 može doseći 1-2 dB, a visokokvalitetni visokofrekventni materijali mogu se kontrolirati unutar 0,2 dB.
Pretjerani Df može rezultirati izgubljenom snagom na odašiljačkom kraju i nemogućnošću demodulacije slabih signala na prijemnom kraju, izravno smanjujući komunikacijsku udaljenost i osjetljivost detekcije radara.
Tipična referenca parametra za glavni visokofrekventni lim
| materijalni sustav | Tipična Dk vrijednost (10GHz) | Tipična Df vrijednost (10GHz) | Osnovni primjenjivi scenariji |
|---|---|---|---|
| Obični FR-4 | 4.2~4.6 | ~0.02 | Digitalni sklopovi niske brzine ispod 1GHz |
| Serija ugljično vodikovih smola | 3.2~3.7 | 0.003~0.008 | 5G bazna stanica,-optički modul velike brzine |
| serija RO4000 | 3.48~3.66 | 0.002~0.0037 | RF pojačalo, automobilski radar |
| PTFE modificirana serija | 2.2~2.6 | 0.001~0.003 | Milimetarski val, satelitska komunikacija, vojni radar |
Mjerodavne metode ispitivanja koje se obično koriste u industriji
Dk i Df visokofrekventne tiskane pločice ne mogu se ispitati metodom tablice Q-obične fr4. Uobičajeno korištena metoda rezonancije trakastog voda u industriji je mjerenje rezonantne frekvencije rezonatora trakastog voda pomoću vektorskog mrežnog analizatora za invertiranje Dk i mjerenje vrijednosti faktora kvalitete Q za invertiranje Df. Rezultati su bliži stvarnom radnom stanju PCB-a.