Dielektrická konstanta (Dk) a ztrátový činitel (Df) vysokofrekvenčních desek plošných spojů jsou základními parametry, které určují kvalitu přenosu vysokofrekvenčního signálu. Nominální parametry mnoha výrobců mají problémy, jako jsou neprůhledné testovací podmínky a falešné značení, což může snadno vést k úskalím při skutečném návrhu a výrobě. Níže shrneme hlavní body praktických znalostí těchto dvou parametrů, které vám pomohou vyhnout se pastím parametrů.
Základní definice a oborová běžná terminologie
Dielektrická konstanta (Dk/ε r): charakterizuje schopnost substrátu plošných spojů ukládat náboje v elektrickém poli. Ve strojírenství se to týká relativní dielektrické konstanty (hodnota vakua 1), což je bezrozměrná vnitřní vlastnost.
Ztrátový faktor (Df/tan δ): Odkazuje na podíl elektrické energie přeměněné na tepelnou energii za jednotku času substrátem pod vysokofrekvenčním střídavým elektrickým polem, také známým jako tangens dielektrické ztráty.
Nejsnáze přehlédnutelná past parametrů
Nesoulad testovací frekvence: Dk běžného fr4 se obvykle měří při nízké frekvenci 1 MHz, zatímco vysokofrekvenční desky s plošnými spoji vyžadují alespoň 10 GHz (pásmo X{3}}) naměřených dat a parametry nízké frekvence nemohou vůbec reprezentovat výkon vysokofrekvenční scény.
Virtuální značení jmenovité tolerance: Rozdíl šarží Dk běžného fr4 může dosáhnout ± 0,2, zatímco tolerance Dk kvalifikovaných vysokofrekvenčních materiálů by měla být řízena v rozmezí ± 0,02. Virtuální tolerance značení přímo způsobí skutečnou odchylku impedance 5-10 Ω, což překračuje požadavek tolerance ± 2 % pro RF obvody.
Skrytí stability prostředí: Mnoho nízko{0}}cenových vysokofrekvenčních materiálů nemá označení dielektrický konstantní teplotní koeficient τ Dk. Ve venkovních scénářích v rozsahu od -40 stupňů do +85 stupňů se Dk výrazně mění s teplotním posunem, což přímo způsobuje posun impedance a nesoulad signálu.
Vliv vlhkosti není vysvětlen: když je rychlost absorpce vody substrátem příliš vysoká, Dk se po absorpci vody výrazně zvýší, Df se bude synchronně zhoršovat a ztráta signálu ve vlhkém prostředí daleko překročí nominální hodnotu.
Základní vliv dvou parametrů na výkon obvodu
Dielektrická konstanta (Dk):
Přímé určení rychlosti přenosu signálu, čím nižší je Dk, tím menší je zpoždění šíření signálu a tím rychlejší je přenosová rychlost.
Je to základní vstupní parametr pro simulaci impedance a odchylka Dk může přímo vést k selhání standardních návrhů impedance, jako je 50 Ω/100 Ω, což způsobuje odraz signálu.
Ztrátový faktor (Df):
Přímé určení vložného úbytku vysokofrekvenčních signálů, ve frekvenčním pásmu nad 10 GHz, může ztráta na palec běžného fr4 dosáhnout 1-2 dB a vysoce kvalitní vysokofrekvenční materiály lze řídit v rozmezí 0,2 dB.
Nadměrné Df může mít za následek plýtvání energií na vysílací straně a neschopnost demodulovat slabé signály na přijímací straně, což přímo snižuje komunikační vzdálenost a citlivost radarové detekce.
Typické referenční parametry pro běžné vysokofrekvenční plechy
| materiálový systém | Typická hodnota Dk (10 GHz) | Typická hodnota Df (10 GHz) | Základní použitelné scénáře |
|---|---|---|---|
| Obyčejný FR-4 | 4.2~4.6 | ~0.02 | Nízkorychlostní digitální obvody pod 1 GHz |
| Řada uhlíkovo vodíkových pryskyřic | 3.2~3.7 | 0.003~0.008 | Základnová stanice 5G, vysokorychlostní-optický modul |
| Řada RO4000 | 3.48~3.66 | 0.002~0.0037 | RF zesilovač, automobilový radar |
| PTFE modifikovaná řada | 2.2~2.6 | 0.001~0.003 | Milimetrové vlny, satelitní komunikace, vojenský radar |
Autoritativní testovací metody běžně používané v průmyslu
Hodnoty Dk a Df vysokofrekvenční desky s plošnými spoji nelze testovat pomocí metody Q-tabulky běžné fr4. Běžně používaná metoda rezonance páskové linky v průmyslu je měření rezonanční frekvence páskového rezonátoru pomocí vektorového síťového analyzátoru pro invertování Dk a měření hodnoty faktoru kvality Q pro invertování Df. Výsledky jsou blíže skutečnému pracovnímu stavu desky plošných spojů.