Dielektrična konstanta (Dk) i faktor gubitka (Df) visokofrekventnih štampanih ploča su osnovni parametri koji određuju kvalitet visokofrekventnog prenosa signala. Nominalni parametri mnogih proizvođača imaju probleme kao što su neprozirni uvjeti ispitivanja i lažno označavanje, što lako može dovesti do zamki u stvarnom dizajnu i proizvodnji. U nastavku ćemo sumirati osnovna praktična znanja o ova dva parametra kako bismo vam pomogli da izbjegnete zamke parametara.
Osnovna definicija i zajednička terminologija u industriji
Dielektrična konstanta (Dk/ε r): karakteriše sposobnost pcb supstrata da skladišti naelektrisanja u električnom polju. U inženjerstvu se odnosi na relativnu dielektričnu konstantu (vrijednost vakuuma 1), koja je bezdimenzionalno svojstvo.
Faktor gubitka (Df/tan δ): Odnosi se na udio električne energije pretvorene u toplinsku energiju po jedinici vremena od strane supstrata pod visokofrekventnim naizmjeničnim električnim poljima, također poznat kao tangent dielektričnog gubitka.
Zamka parametara koja se najlakše previdi
Test frekventna neusklađenost: Dk običnog fr4 se obično mjeri na niskoj frekvenciji od 1MHz, dok visokofrekventne štampane ploče zahtijevaju najmanje 10GHz (X-opseg) mjerenih podataka, a niskofrekventni parametri uopće ne mogu predstavljati performanse visokofrekventne scene.
Virtuelna oznaka nominalne tolerancije: Dk šaržna razlika običnog fr4 može doseći ± 0,2, dok toleranciju Dk kvalifikovanih visokofrekventnih materijala treba kontrolisati unutar ± 0,02. Tolerancija virtuelnog označavanja će direktno uzrokovati stvarnu devijaciju impedanse od 5-10 Ω, premašujući zahtjev tolerancije od ± 2% za RF kola.
Prikrivanje stabilnosti okoline: Mnogi materijali visoke frekvencije niske-cijene ne označavaju temperaturni koeficijent dielektrične konstante τ Dk. U vanjskim scenarijima u rasponu od -40 stepeni do +85 stepeni, Dk se značajno mijenja s temperaturnim pomakom, direktno uzrokujući pomjeranje impedanse i neusklađenost signala.
Utjecaj vlage nije objašnjen: kada je stopa apsorpcije vode podloge previsoka, Dk će se značajno povećati nakon apsorpcije vode, Df će se sinhrono pogoršavati, a gubitak signala u vlažnim sredinama daleko će premašiti nominalnu vrijednost.
Osnovni uticaj dva parametra na performanse kola
Dielektrična konstanta (Dk):
Direktno određivanje brzine prijenosa signala, što je niži Dk, to je manje kašnjenje širenja signala i veća je brzina prijenosa.
To je osnovni ulazni parametar za simulaciju impedanse, a Dk devijacija može direktno dovesti do kvara standardnih dizajna impedanse kao što je 50 Ω/100 Ω, uzrokujući refleksiju signala.
Faktor gubitka (Df):
Direktno određivanje gubitka umetanja visokofrekventnih signala, u frekvencijskom opsegu iznad 10GHz, gubitak po inču običnog fr4 može doseći 1-2dB, a visokokvalitetni visokofrekventni materijali mogu se kontrolisati unutar 0,2dB.
Prekomjerni Df može rezultirati gubitkom snage na kraju odašiljanja i nemogućnošću demodulacije slabih signala na kraju prijema, direktno smanjujući udaljenost komunikacije i osjetljivost detekcije radara.
Tipična referenca parametara za mainstream visokofrekventni lim
| materijalni sistem | Tipična vrijednost Dk (10GHz) | Tipična Df vrijednost (10GHz) | Osnovni primjenjivi scenariji |
|---|---|---|---|
| Obični FR-4 | 4.2~4.6 | ~0.02 | Digitalna kola male brzine ispod 1 GHz |
| Serija ugljičnih vodonik smola | 3.2~3.7 | 0.003~0.008 | 5G bazna stanica,-optički modul velike brzine |
| RO4000 serija | 3.48~3.66 | 0.002~0.0037 | RF pojačalo, automobilski radar |
| PTFE modifikovana serija | 2.2~2.6 | 0.001~0.003 | Milimetarski talas, satelitska komunikacija, vojni radar |
Autoritativne metode ispitivanja koje se obično koriste u industriji
Dk i Df visokofrekventne štampane ploče ne mogu se testirati korištenjem Q-tabele metode običnog fr4. Uobičajena metoda rezonantne trake u industriji je mjerenje rezonantne frekvencije rezonantnog trakastog rezonatora pomoću vektorskog mrežnog analizatora za invertiranje Dk i mjerenje vrijednosti Q faktora kvalitete za invertiranje Df. Rezultati su bliži stvarnom radnom stanju PCB-a.