Технология PCB - Как выбрать различные значения диэлектрической проницаемости для данных печатной платы

Как выбрать различные значения диэлектрической проницаемости (DK) для данных печатных плат. В связи с быстрым развитием высокочастотных схем и растущим спросом на портативность и мобильность миниатюризации печатных плат уделяется все больше внимания. Выбор материалов для печатных плат обычно начинается с определения диэлектрической проницаемости (Dk) материала печатной платы, который находится в верхней части списка многих параметров, которые необходимо учитывать при изготовлении печатной платы. Схемы со структурой с замедленным распространением волн являются одним из методов миниатюризации схем, но выбор материала печатной платы с более высоким значением Dk - это более прямой способ получить схему меньшего размера. Конечно, в некоторых конкретных случаях не всегда возможно выбрать материал печатной платы с высокой диэлектрической проницаемостью. На практике конструкция должна соответствовать миниатюрным размерам электронных схем, при этом значение Dk материала печатной платы не должно быть слишком высоким.

Физический размер высокочастотной печатной платы (PCB) обычно связан с длиной волны сигналов, проходящих по схеме, которая уменьшается с увеличением частоты сигналов. Приведенное ниже краткое сравнение разницы между высокими и низкими значениями Dk в материалах печатных плат показывает разницу между двумя материалами печатных плат с относительно низкими и высокими значениями Dk. В зависимости от характеристик высокочастотных данных это сравнение важно еще и потому, что оно может в определенной степени помочь инженерам быстро отфильтровать материалы печатных плат, которые, вероятно, удовлетворят их проектным требованиям.

Разница между высокими и низкими значениями Dk в материалах печатных плат

Если взять в качестве примера два вышеуказанных различных типа материалов печатных плат, то для двух радиочастотных/микроволновых схем, работающих на одной и той же частоте, схемы, обработанные на материале печатных плат с меньшим значением Dk, будут иметь большую длину волны. Поскольку большинство конструкций радиочастотных/микроволновых схем основаны на размерных характеристиках длины волны, материалы печатных плат с более высокими значениями Dk генерируют меньшие длины волн на заданной частоте, что приводит к получению печатных плат с меньшими размерами схем.

Разница в фазовой скорости между материалами печатных плат с различной диэлектрической проницаемостью (DK) также может быть фактором при выборе данных печатной платы, особенно если реализуемая функция схемы чувствительна к таким параметрам, как фазовая скорость, групповая задержка или задержка распространения. Материал плиты с более низким значением Dk имеет более высокую фазовую скорость, чем материал плиты с более высоким значением Dk. Величина значения Dk для выбранного материала печатной платы особенно важна для схем, чувствительных к точности задержки (например, линий задержки и высокоскоростных цифровых схем), на которые могут влиять линии передачи с различными фазовыми скоростями или задержками распространения.   

Как правило, данные печатной платы имеют разные значения Dk в трех измерениях (x, y, z), и каждое из этих значений влияет на производительность обрабатываемой схемы. Однако данные печатной платы обычно сравниваются друг с другом на основе значения Dk в направлении оси z (толщина) в качестве типичного значения. Данные на печатной плате обычно изменяются по осям x, y и z, и эта характеристика называется анизотропией данных на печатной плате. Анизотропия данных платы с более высокими значениями Dk обычно больше, чем анизотропия данных платы с более низкими значениями Dk, и эта разница вызвана технологическим процессом обработки высокочастотных данных платы. Хотя данные на печатной плате имеют разные значения Dk в плоскости x, y и по оси z, значения Dk по осям x и y относительно близки друг к другу.

Разница между значениями Dk в плоскости x-y и значениями Dk по оси z обычно не так важна для многих типов высокочастотных цепей (например, одиночных линий передачи или коротких замыканий), но она влияет на производительность некоторых цепей с характеристиками связи. Чтобы устранить влияние высокой анизотропии на связанные схемы, были разработаны некоторые материалы для плат с высокой Dk, которые минимизируют анизотропию данных с учетом этого эффекта (для сравнения анизотропии материалов высокочастотных плат ниже приведены значения Dk для двух материалов плат, TMM 10i и TMM 13i, расположены очень близко друг к другу как в направлении x-y, так и по оси z, по сравнению с другими материалами). (значения Dk в направлении x-y и по оси z для материалов TMM 10i и TMM 13i в таблице очень близки друг к другу).

Сравнение анизотропии материала высокочастотной печатной платы

Значение Dk материала печатной платы также влияет на другие высокочастотные параметры, включая потери излучения, дисперсию, связь и вносимые потери. Потери излучения обусловлены рядом факторов, особенно конструкцией самой схемы и ее рабочей частотой, и высокочастотные схемы имеют большие потери излучения, чем низкочастотные. Кроме того, толщина материала подложки также является одним из факторов, влияющих на потери излучения. Для той же схемы схема, обработанная на более толстой подложке, будет демонстрировать большие потери излучения по сравнению с более тонкой подложкой. Во-вторых, значение Dk в данных печатной платы также влияет на потери излучения. Схемы, спроектированные с более высокими значениями Dk, как правило, имеют меньшие потери излучения, чем схемы с более низкими значениями Dk.

Хорошо известно, что микрополосковые линии передачи являются дисперсионными, в то время как высокочастотные линии передачи, основанные на полосковых линиях, являются недисперсионными. Однако данные на печатной плате сами по себе являются дисперсионными, и степень дисперсии зависит от того, насколько сильно Dk данных на печатной плате изменяется в зависимости от частоты. Как правило, данные на печатной плате с более высоким значением Dk будут демонстрировать большее изменение дисперсии, чем материал печатной платы с более низким значением Dk. Однако существуют исключения, и при необходимости состав материала печатной платы может быть изменен для уменьшения дисперсности материала.

Различия в характеристиках связи в цепях постоянного тока с различными диэлектрическими постоянными часто легко видны в связанных микрополосковых линейных полосовых фильтрах. Коэффициенты связи между различными резонансными элементами в полосовом фильтре могут быть добавлены с использованием данных с высокими диэлектрическими постоянными. Связь между резонансными элементами микрополоскового линейного фильтра осуществляется через плоскость x-y материала печатной платы, и анизотропия материала печатной платы очень важна для этого типа фильтров. Данные печатной платы с более высокими значениями Dk могут быть использованы для направленных ответвителей и других схем, требующих более высоких коэффициентов связи. Например, данные на печатной плате с высоким Dk обеспечивают более сильную связь в микрополосковых схемах, поскольку схема и данные схемы излучают меньше энергии из-за более тесной связи между сигнальным уровнем схемы и уровнем заземления.

Когда две аналогичные схемы обрабатываются на двух печатных платах с разными значениями Dk, можно видеть, что схемы, обработанные на платах с более высоким значением Dk, обычно имеют более высокие вносимые потери, чем на печатных платах с более низким значением Dk. Хотя сам материал непосредственно не влияет на разницу во вносимых потерях, данные на плате с более высоким значением Dk приводят к уменьшению длины волны сигнала в волноводе и снижению характеристик схемы. Более высокие значения Dk сужают путь прохождения сигнала, а более узкий путь прохождения сигнала приводит к большим потерям в проводнике, чем более широкий сигнальный проводник с более низким Dk. Это означает, что при обработке данных в схемах на плате с более высокими значениями Dk вносимые потери в схеме обычно выше, чем на платах с более низкими значениями Dk.

При попытке миниатюризации схем с использованием данных на плате с высоким коэффициентом усиления инженеры должны учитывать различные эффекты изменения коэффициента усиления на радиочастотные характеристики схемы.