ثابت دی الکتریک (Dk) و ضریب تلفات (Df) بردهای مدار چاپی فرکانس بالا پارامترهای اصلی هستند که کیفیت انتقال سیگنال فرکانس بالا را تعیین می کنند. بسیاری از پارامترهای اسمی تولیدکنندگان دارای مشکلاتی مانند شرایط تست غیر شفاف و برچسب گذاری نادرست هستند که به راحتی می تواند منجر به مشکلاتی در طراحی و تولید واقعی شود. در زیر، نکات اصلی دانش عملی این دو پارامتر را خلاصه میکنیم تا به شما در جلوگیری از تلههای پارامتر کمک کنیم.
تعریف پایه و اصطلاحات رایج صنعت
ثابت دی الکتریک (Dk/εr): توانایی بستر pcb را برای ذخیره بارها در میدان الکتریکی مشخص می کند. در مهندسی، به ثابت دی الکتریک نسبی (مقدار خلاء 1) اشاره دارد که یک ویژگی ذاتی بدون بعد است.
ضریب تلفات (Df/tan δ): به نسبت انرژی الکتریکی تبدیل شده به انرژی حرارتی در واحد زمان توسط یک بستر تحت میدان های الکتریکی متناوب فرکانس بالا، که به عنوان مماس تلفات دی الکتریک نیز شناخته می شود، اشاره دارد.
تله پارامتری که به راحتی نادیده گرفته می شود
عدم تطابق فرکانس آزمایش: Dk fr4 معمولی معمولاً در فرکانس پایین 1 مگاهرتز اندازهگیری میشود، در حالی که بردهای مدار چاپی فرکانس بالا به حداقل 10 گیگاهرتز (باند X{3}}) دادههای اندازهگیری شده نیاز دارند و پارامترهای فرکانس پایین اصلاً نمیتوانند عملکرد صحنه فرکانس بالا را نشان دهند.
علامت گذاری مجازی تحمل اسمی: اختلاف دسته Dk fr4 معمولی می تواند به 0.2 ± برسد، در حالی که تحمل Dk مواد فرکانس بالا واجد شرایط باید در 0.02 ± کنترل شود. تلورانس علامت گذاری مجازی مستقیماً باعث انحراف امپدانس واقعی 5-10 Ω می شود که از تلورانس مورد نیاز ± 2٪ برای مدارهای RF فراتر می رود.
پنهانسازی پایداری محیطی: بسیاری از مواد با فرکانس بالا{0} با قیمت پایین، ضریب دمای ثابت دی الکتریک τ Dk را نشان نمیدهند. در سناریوهای فضای باز از -40 درجه تا{3}} درجه، Dk به طور قابل توجهی با تغییر دما تغییر میکند و مستقیماً باعث رانش امپدانس و عدم تطابق سیگنال میشود.
تأثیر رطوبت توضیح داده نشده است: هنگامی که میزان جذب آب زیرلایه خیلی زیاد است، Dk پس از جذب آب به طور قابل توجهی افزایش می یابد، Df به طور همزمان بدتر می شود و از دست دادن سیگنال در محیط های مرطوب بسیار بیشتر از مقدار اسمی خواهد بود.
تاثیر اصلی دو پارامتر بر عملکرد مدار
ثابت دی الکتریک (Dk):
با تعیین مستقیم سرعت انتقال سیگنال، هر چه Dk کمتر باشد، تأخیر انتشار سیگنال کمتر و سرعت انتقال سریعتر است.
این پارامتر اصلی ورودی برای شبیهسازی امپدانس است و انحراف Dk میتواند مستقیماً منجر به شکست طرحهای امپدانس استاندارد مانند 50 Ω/100 Ω شود و باعث انعکاس سیگنال شود.
ضریب ضرر (Df):
با تعیین مستقیم از دست دادن سیگنال های فرکانس بالا، در باند فرکانس بالای 10 گیگاهرتز، افت در هر اینچ fr4 معمولی می تواند به 1-2dB برسد و مواد با فرکانس بالا با کیفیت بالا را می توان در 0.2dB کنترل کرد.
Df بیش از حد می تواند منجر به تلف شدن توان در انتهای فرستنده و ناتوانی در کاهش مدولاسیون سیگنال های ضعیف در انتهای گیرنده شود که مستقیماً فاصله ارتباطی و حساسیت تشخیص رادار را کاهش می دهد.
مرجع پارامتر معمولی برای ورق فلزی با فرکانس بالا
| سیستم مواد | مقدار Dk معمولی (10GHz) | مقدار Df معمولی (10 گیگاهرتز) | سناریوهای کاربردی اصلی |
|---|---|---|---|
| FR-4 معمولی | 4.2~4.6 | ~0.02 | مدارهای دیجیتال با سرعت پایین زیر 1 گیگاهرتز |
| سری رزین هیدروژن کربن | 3.2~3.7 | 0.003~0.008 | ایستگاه پایه 5G، ماژول نوری-سرعت بالا |
| سری RO4000 | 3.48~3.66 | 0.002~0.0037 | تقویت کننده RF، رادار خودرو |
| سری اصلاح شده PTFE | 2.2~2.6 | 0.001~0.003 | موج میلیمتری، ارتباطات ماهواره ای، رادار نظامی |
روش های تست معتبر که معمولا در صنعت استفاده می شود
Dk و Df برد مدار چاپی فرکانس بالا را نمی توان با استفاده از روش Q{0}}جدول fr4 معمولی آزمایش کرد. روش متداول تشدید خط نواری در صنعت اندازه گیری فرکانس تشدید تشدید کننده خط نواری با استفاده از تحلیلگر شبکه برداری برای معکوس کردن Dk و اندازه گیری مقدار فاکتور کیفیت Q برای معکوس کردن Df است. نتایج به وضعیت کار واقعی PCB نزدیکتر است.