Технология RF цепей - Определите диэлектрическую проницаемость Dk печатной платы

У разных производителей печатных плат параметры печатных плат могут немного отличаться. Связавшись со службой технической поддержки завода-изготовителя печатных плат, мы можем получить некоторые заводские данные о параметрах.

Например, диэлектрическая проницаемость Dk: Диэлектрическая проницаемость препрега зависит от толщины. В следующей таблице приведены параметры толщины и диэлектрической проницаемости Dk различных типов препрега. Диэлектрическая проницаемость плиты зависит от используемого полимерного материала. Диэлектрическая проницаемость двусторонних и многослойных печатных плат FR4 составляет 4,2-4,7 и будет уменьшаться с увеличением частоты.

Коэффициент диэлектрических потерь df: Энергия, потребляемая диэлектрическими материалами за счет выделения тепла под действием переменного электрического поля, называется коэффициентом диэлектрических потерь, который обычно выражается коэффициентом диэлектрических потерь tan δ. Типичное значение для S1141A равно 0,015.

Каковы важные параметры высокочастотной печатной платы?

Диэлектрическая проницаемость (Dk) подложки высокочастотной печатной платы должна быть небольшой и стабильной. Вообще говоря, чем меньше, тем лучше. Скорость передачи сигнала обратно пропорциональна квадратному корню из диэлектрической проницаемости данных. Высокая диэлектрическая проницаемость может легко вызвать задержки при передаче сигнала. .

Диэлектрические потери (Df) данных на подложке высокочастотной печатной платы должны быть малыми, что в основном влияет на качество передачи сигнала. Чем меньше диэлектрические потери, тем меньше потери сигнала.

Импеданс высокочастотных печатных плат фактически относится к параметрам сопротивления и реактивной способности. Поскольку печатные платы должны учитывать установку электронных компонентов, характеристики электропроводности и передачи сигнала после подключения, чем ниже импеданс, тем лучше. .

Основной материал высокочастотных печатных плат должен иметь низкое водопоглощение. Высокое водопоглощение при намокании приводит к диэлектрической проницаемости и диэлектрическим потерям.

Чтобы соответствовать требованиям к целостности сигнала в различных приложениях, печатной плате необходимо не только проверить параметры S и полное сопротивление TDR, но и проанализировать физические характеристики самих данных, диэлектрическую проницаемость и диэлектрические потери. Точная диэлектрическая проницаемость позволяет не только обеспечить эффективное проектирование, но и повысить согласованность результатов моделирования и реальных испытаний изделий, повысить эффективность проектирования и разработки, что имеет большое значение для поставщиков данных о печатных платах, включая разработчиков печатных плат для производства.

1. Обычно используемая нами подложка для печатных плат изготовлена из материала FR-4, а ее диэлектрическая проницаемость по отношению к воздуху составляет 4,2-4,7. Эта диэлектрическая проницаемость изменяется в зависимости от температуры. В диапазоне температур 0-70 градусов ее максимальный диапазон изменения может достигать 20%. Изменение диэлектрической проницаемости приведет к 10%-ному изменению задержки на линии. Чем выше температура, тем больше задержка. Диэлектрическая проницаемость также изменяется в зависимости от частоты сигнала. Чем выше частота, тем меньше диэлектрическая проницаемость. На расстоянии менее 100 м вы можете использовать значение 4.5 для расчета емкости и задержки на внутренней плате.

2. Скорость передачи сигнала внутреннего слоя на обычной печатной плате из материала FR4 составляет 180 кадров/дюйм (1 дюйм = 1000 мил = 2,54 см). Поверхностный слой обычно зависит от ситуации и обычно составляет от 140 до 170 градусов.

3. Реальный конденсатор может быть просто эквивалентен последовательно соединенным L, R, C. Конденсатор имеет точку резонанса, которая на высоких частотах (выше этой точки резонанса) будет казаться индуктивной. Точка резонанса будет отличаться в зависимости от значения емкости и процесса использования конденсатора. И будут большие различия в продуктах, выпускаемых разными производителями.

Эта резонансная точка в основном зависит от эквивалентной последовательной индуктивности. Например, эквивалентная последовательная индуктивность микросхемного конденсатора емкостью 100 Нф составляет около 0,5 нН, а значение ESR (эквивалентного последовательного сопротивления) равно 0,1 Ом. Тогда эффект фильтрации будет наилучшим, когда оно составляет около 24 М, а полное сопротивление переменного тока составляет 0,1 Ом. Эквивалентная индуктивность микросхемного конденсатора емкостью 1 Нф также составляет 0,5 нН (разница между различными значениями емкости не слишком велика), ESR составляет 0,01 Ом, и наилучший эффект фильтрации достигается на расстоянии около 200 м. Для достижения лучшего эффекта фильтрации мы используем комбинацию конденсаторов с различными значениями емкости.

Однако из-за эффекта эквивалентной последовательной индуктивности и емкости точка резонанса будет находиться между 24 и 200 м. В этой точке резонанса имеется максимальное сопротивление, которое больше, чем сопротивление отдельного конденсатора.

Это нежелательный результат. (В период от 24 до 200 м маленькие конденсаторы являются емкостными, а большие конденсаторы уже являются индуктивными.

Два конденсатора, подключенных параллельно, эквивалентны LC-контуру, подключенному параллельно. Сумма значений ESR двух конденсаторов равна последовательному сопротивлению LC-контура. Если LC подключен параллельно, то при последовательном сопротивлении, равном 0, в точке резонанса будет бесконечное сопротивление, и в этой точке будет достигнут наихудший эффект фильтрации.

Это последовательное сопротивление подавляет явление параллельного резонанса, тем самым снижая полное сопротивление LC-резонатора в точке резонанса). Чтобы уменьшить этот эффект, при необходимости можно использовать конденсаторы с большим ESR. ESR эквивалентен последовательному сопротивлению в резонансной сети, что может снизить добротность, тем самым делая частотные характеристики более плоскими.

Увеличение ESR приведет к повышению общего сопротивления. В диапазонах частот ниже 24 м и выше 200 м сопротивление будет увеличиваться, в то время как в диапазонах частот 24 М и 200 м сопротивление будет уменьшаться. Следовательно, необходимо также всесторонне учитывать диапазон частот коммутационного шума платы. Некоторые зарубежные платы имеют резистор в несколько Ом, подключенный последовательно с небольшим конденсатором (680 Пф), когда большой и малый конденсаторы подключены параллельно. Вероятно, это связано с этим соображением. (Исходя из приведенных выше параметров, добротность конденсатора емкостью 1 Нф в 10 раз превышает добротность конденсатора емкостью 100 Нф. Поскольку под рукой у производителя нет конкретных значений эквивалентной последовательной индуктивности и ESR, параметры в приведенном выше примере рассчитаны на основе данных, рассмотренных ранее.

Но отклонение не должно быть слишком большим. Информация, которую я видел во многих местах в прошлом, заключается в том, что резонансные частоты керамических конденсаторов емкостью 1 Нф и 100 Нф составляют 100 М и 10 МП соответственно. Учитывая, что емкость конденсатора микросхемы намного меньше, а достоверное значение не найдено, для удобства просто нажмите кнопку расчета 0,5нН. Если у вас есть конкретные и достоверные значения, я надеюсь, вы сможете опубликовать их.) Диэлектрическая проницаемость (Dk, ε, Er) определяет скорость распространения электрических сигналов в среде. Скорость распространения электрического сигнала обратно пропорциональна квадратному корню из диэлектрической проницаемости.

Чем ниже диэлектрическая проницаемость, тем выше скорость передачи сигнала. Давайте проведем наглядную аналогию: точно так же, как вы бежите по пляжу, вы погружаетесь в воду по щиколотку, вязкость воды - это диэлектрическая проницаемость, чем вязче вода, тем выше диэлектрическая проницаемость и тем медленнее вы бежите.

Диэлектрическую проницаемость не так-то просто измерить или определить. Она связана не только с характеристиками самой среды, но и с методом испытаний, частотой испытаний и состоянием данных до и во время испытаний. Диэлектрическая проницаемость также изменяется в зависимости от температуры. При разработке некоторых специальных материалов учитывается температурный фактор. Влажность также является важным фактором, влияющим на диэлектрическую проницаемость, поскольку диэлектрическая проницаемость воды составляет 70, а влаги в ней очень мало. Это приведет к значительным изменениям.

Ниже приведены диэлектрические постоянные некоторых типичных материалов (при частоте 1 МГц): Вакуум 1,0 чистый ПТФЭ 2,1 ГР ПТФЭ 2,2-2,3 ГРХ-ПТФЭ 2,55 цианатный эфир/стекло 3,2 цианатный эфир/кварц 2,8-3,4 полиимид-кварц 3,5 - 3,8 Полиимид-стекло 4,0-4,6 Эпоксидная смола-стекло (FR4) 4,4-5,2 Нетканый ароматический материал (арамид) 3,8-4,1 Ароматический материал (тканый материал) 3,8-

4. Вспененный материал с керамическим наполнителем из ПТФЭ 6,0-10,2 (патент Arlon) 1,15-1,3, вода 70,0. Можно видеть, что для высокоскоростных и высокочастотных применений наиболее идеальным материалом является воздушная среда, обернутая медной фольгой, с допуском по толщине +/-0,00001". Что касается разработки материалов, то все усердно работают в этом направлении, например, запатентованный пенопласт Arlon идеально подходит для применения в антеннах базовых станций.

Но не все схемы имеют меньшую диэлектрическую проницаемость, чем лучше. Это часто определяется на основе некоторых реальных схем. Для некоторых схем, требующих небольшого объема, часто требуются материалы с высокой диэлектрической проницаемостью, такие как Arlon AR1000, которые используются для миниатюризации. Схема проектирования. В некоторых конструкциях, таких как усилители мощности, обычно используется диэлектрическая проницаемость, равная 2,55 (например, Arlon Diclad527, AD255 и т.д.), или диэлектрическая проницаемость, равная 3,5 (например, AD350, 25N/FR и т.д.). Существуют также усилители, которые используют диэлектрическую проницаемость, равную 4,5 (например, AD450). Был изменен дизайн с FR-4 для высокочастотных применений, но хотелось бы сохранить прежний дизайн.

Помимо непосредственного влияния на скорость передачи сигнала, диэлектрическая проницаемость DK также в значительной степени определяет характеристический импеданс. В различных частях, согласование характеристического импеданса особенно важно в микроволновой связи. Если имеется несоответствие импеданса, то это несоответствие также называется КСВН (коэффициент стоячей волны). MAX2242: Материал печатной платы должен быть FR4 или G-10.

Этот тип материала является хорошим выбором для большинства недорогих беспроводных приложений, работающих на частоте ниже 3 ГГц. В тестовой плате MAX2242 используется 4-слойный FR4 с диэлектрической проницаемостью 4,5, толщиной изоляционного слоя 6 мил и 1 унция меди. При проектировании схемы с низким сопротивлением, такой как MAX2242, с выходным сопротивлением всего около (8 + j5) на частоте 2,45 ГГц, катушка индуктивности емкостью 0,5 нМ может обеспечить индуктивное сопротивление, равное 8. Индуктивное сопротивление, равное 8, эквивалентно диэлектрической проницаемости, равной 4,5, и толщине 6 мил. Полное сопротивление создается микрополосковой линией размером 60 х 10 мил на печатной плате FR4.

Расчет резонансной частоты: f=1/ (2* 3,14159 * кв.м) (L * C)

Диэлектрическая проницаемость (Dk) определяет скорость распространения электрических сигналов в данной среде. Скорость, с которой распространяется электрический сигнал, обратно пропорциональна квадратному корню из диэлектрической проницаемости. Чем ниже диэлектрическая проницаемость, тем выше скорость передачи сигнала. Если привести яркую метафору, то вы как будто бежите по пляжу. Глубина воды достаточна, чтобы покрыть ваши лодыжки. Вязкость воды - это диэлектрическая проницаемость. Чем вязче вода, тем выше диэлектрическая проницаемость и тем медленнее вы бежите.