La constant dielèctrica (Dk) i el factor de pèrdua (Df) de les plaques de circuits impresos d'alta freqüència són els paràmetres bàsics que determinen la qualitat de la transmissió del senyal d'alta freqüència. Els paràmetres nominals de molts fabricants tenen problemes com ara condicions de prova opacs i etiquetatge fals, que poden provocar fàcilment inconvenients en el disseny i la producció reals. A continuació, resumirem els punts bàsics de coneixement pràctic d'aquests dos paràmetres per ajudar-vos a evitar trampes de paràmetres.
Definició bàsica i terminologia comuna de la indústria
Constant dielèctrica (Dk/ε r): caracteritza la capacitat del substrat de la PCB per emmagatzemar càrregues en un camp elèctric. En enginyeria, es refereix a la constant dielèctrica relativa (valor de buit d'1), que és una propietat intrínseca adimensional.
Factor de pèrdua (Df/tan δ): Es refereix a la proporció d'energia elèctrica convertida en energia tèrmica per unitat de temps per un substrat sota camps elèctrics alterns d'alta freqüència, també conegut com a tangent de pèrdua dielèctrica.
La trampa de paràmetres més fàcil de passar per alt
Desajust de freqüència de prova: el Dk de fr4 normal es mesura normalment a una freqüència baixa d'1 MHz, mentre que les plaques de circuits impresos d'alta freqüència requereixen almenys 10 GHz (banda X-) de dades mesurades i els paràmetres de baixa freqüència no poden representar el rendiment de l'escena d'alta freqüència.
Marcatge virtual de tolerància nominal: la diferència de lot Dk de fr4 normal pot arribar a ± 0,2, mentre que la tolerància Dk de materials qualificats d'alta freqüència s'ha de controlar dins de ± 0,02. La tolerància de marcatge virtual provocarà directament una desviació d'impedància real de 5-10 Ω, superant el requisit de tolerància de ± 2% per als circuits de RF.
Ocultació de l'estabilitat ambiental: molts materials d'alta freqüència{0}}de baix preu no anoten el coeficient de temperatura constant dielèctrica τ Dk. En escenaris a l'aire lliure que van des de -40 graus fins a +85 graus, Dk canvia significativament amb la deriva de la temperatura, provocant directament una deriva d'impedància i un desajust del senyal.
La influència de la humitat no s'explica: quan la taxa d'absorció d'aigua del substrat és massa alta, Dk augmentarà significativament després de l'absorció d'aigua, Df es deteriorarà de forma sincrònica i la pèrdua de senyal en ambients humits superarà amb escreix el valor nominal.
L'impacte bàsic de dos paràmetres en el rendiment del circuit
Constant dielèctrica (Dk):
Determinant directament la velocitat de transmissió del senyal, com més baix sigui el Dk, menor serà el retard de propagació del senyal i més ràpida serà la velocitat de transmissió.
És el paràmetre d'entrada bàsic per a la simulació d'impedància, i la desviació Dk pot conduir directament a la fallada de dissenys d'impedància estàndard com ara 50 Ω/100 Ω, provocant la reflexió del senyal.
Factor de pèrdua (Df):
Determinant directament la pèrdua d'inserció de senyals d'alta freqüència, a la banda de freqüència superior a 10 GHz, la pèrdua per polzada de fr4 normal pot arribar a 1-2 dB i els materials d'alta freqüència d'alta qualitat es poden controlar dins de 0,2 dB.
Un Df excessiu pot provocar un malbaratament d'energia a l'extrem de transmissió i la incapacitat de demodular senyals febles a l'extrem receptor, reduint directament la distància de comunicació i la sensibilitat de detecció del radar.
Referència de paràmetres típics per a xapa d'alta freqüència convencional
| sistema material | Valor Dk típic (10 GHz) | Valor de Df típic (10 GHz) | Escenaris bàsics aplicables |
|---|---|---|---|
| Ordinari FR-4 | 4.2~4.6 | ~0.02 | Circuits digitals de baixa velocitat per sota d'1GHz |
| Sèrie de resina d'hidrogen de carboni | 3.2~3.7 | 0.003~0.008 | Estació base 5G, mòdul òptic-alta velocitat |
| Sèrie RO4000 | 3.48~3.66 | 0.002~0.0037 | Amplificador de RF, radar d'automòbil |
| Sèrie modificada amb PTFE | 2.2~2.6 | 0.001~0.003 | Ona mil·limètrica, comunicació per satèl·lit, radar militar |
Mètodes de prova autoritzats comunament utilitzats a la indústria
El Dk i el Df de la placa de circuit imprès d'alta freqüència no es poden provar mitjançant el mètode de taula Q-de fr4 normal. El mètode de ressonància de la línia de tira utilitzat habitualment a la indústria és mesurar la freqüència de ressonància del ressonador de la línia de tira mitjançant un analitzador de xarxa vectorial per invertir Dk i mesurar el valor del factor de qualitat Q per invertir Df. Els resultats s'acosten més a l'estat de treball real de la PCB.