微波技術 - 資料和工藝對PCB電路Dk和相位一致性的影響分析

資料和工藝對PCB電路Dk和相位一致性的影響分析

隨著頻率的不斷增加, 控制相位一致性變得越來越困難 印刷電路板(PCB) 布料s. 準確預測 電路板 資料不是一項簡單或例行的任務. The signal phase of a high-frequency and high-speed PCB depends to a large extent on 這個 structure of the transmission line processed from it and the dielectric constant (Dk) of the 電路板 布料. The lower the Dk of the medium is (for example, 空氣的Dk約為1.0), 電磁波傳播得越快. 隨著Dk新增, 波的傳播速度會减慢, 這種現象也會對傳播訊號的相位響應產生影響. 當傳播介質的Dk改變時, 波形相位將改變, 因為較低或較高的Dk將使傳播介質中的訊號速度更快或更慢.

電路板資料的Dk通常是各向異性的，在長度、寬度和厚度的3維（3D）中具有不同的Dk值（對應於x、y和z軸）。 對於某些特殊類型的電路設計，不僅需要考慮Dk的差异，還需要考慮電路加工和製造對相位的影響。 隨著PCB工作頻率的新增，尤其是在微波和毫米波頻率下，例如：第五代（5G）蜂窩無線通訊網絡基礎設施設備、電子輔助車輛中的高級駕駛輔助系統（ADAS），相位穩定性和可預測性將變得越來越重要。

那麼是什麼導致了 電路板 要更改的資料? 在某些情况下, the difference in Dk on the PCB is caused by the 布料 itself (such as changes in copper surface roughness). 在其他情况下, the PCB製造 工藝也會導致Dk發生變化. 此外, the harsh 工作環境 (such as higher working temperature) will also change the Dk of the PCB. 通過瞭解資料的特性, 制造技術, working environment, 甚至Dk測試方法, 如何研究PCB Dk的變化. 這可以更好地理解和預測PCB的相位變化, 並將其影響降至最低.

各向異性是電路板資料的一個重要特性，Dk的特性與3維數學中的張量非常相似。 3個軸上的Dk值不同，導致3維空間中的電通量和電場強度不同。 根據電路中使用的傳輸線類型，具有耦合結構的電路的相位可以通過資料的各向異性來改變，並且電路的效能取決於電路板資料上相位的方向。 一般來說，電路板資料的各向異性會隨電路板厚度和工作頻率而變化，Dk值越低，各向異性越小。 填充增强資料也會導致這種變化：與沒有玻璃纖維增强的電路板資料相比，具有玻璃纖維增强的電路板資料通常具有更大的各向異性。 當相位是關鍵名額且PCB的Dk是電路設計建模的一部分時，兩種資料之間Dk值的描述和比較應針對同一軸上的Dk。 有關改變電路板資料Dk的各種因素（包括測量方法）的更多詳細資訊，請參閱羅傑斯“網絡研討會”，瞭解電路資料和製造如何影響PCB Dk變化和相位一致性“製造過程如何影響PCB的Dk變化和相位一致性”。

深入討論設計Dk

電路的有效Dk取決於電磁波如何在特定類型的傳輸線中傳播。 根據傳輸線的不同，電磁波的一部分通過PCB的介電材料傳播，另一部分通過PCB周圍的空氣傳播。 空氣的Dk值（約1.00）低於任何電路資料。 囙此，有效Dk值本質上是一個組合Dk值，由在傳輸線導體中傳播的電磁波、在介電材料中傳播的電磁波以及在由電磁波組合作用確定的基板周圍空氣中傳播的電磁波組成。 “設計Dk”試圖提供比“有效Dk”更實用的Dk，因為“設計Dk”還考慮了不同傳輸線科技、製造方法、導線甚至量測Dk的測試方法的綜合影響。 設計Dk是在電路形式中測試資料時選取的Dk，也是最適合用於電路設計和模擬的Dk值。 設計Dk不是電路的有效Dk，而是通過量測有效Dk確定的資料Dk。 設計Dk能够反映電路的真實效能。

不同厚度PCB介質資料的導體銅箔的表面粗糙度對電路的設計Dk和相位響應有不同的影響. 基板較厚的資料受銅箔導體表面粗糙度的影響較小. 甚至對於表面粗糙的銅箔導體, 此時的設計Dk值更接近基板資料的介電Dk. 例如, 羅傑斯6.600萬 RO4350B™ 電路板 資料的平均設計Dk值為3.96從8到40 GHz. 對於厚度為30密耳的相同資料, 設計Dk降至3.相同頻率範圍內平均68. When the thickness of the 材料 substrate is doubled again (60 mils), 設計Dk為3.66, 這基本上是玻璃纖維增强層壓板介質的固有Dk.

從以上示例可以看出，較厚的電介質基板受銅箔粗糙度的影響較小，設計Dk值相對較低。 然而，如果使用較厚的電路板來生產和處理電路，尤其是在訊號波長較小的毫米波頻率下，則更難保持訊號幅度和相位的一致性。 頻率較高的電路通常更適合較薄的電路板，此時資料的介電部分對設計Dk和電路效能的影響較小。 在訊號損耗和相位效能方面，較薄的PCB基板將更容易受到導體的影響。 在毫米波頻率下，就電路資料的設計Dk而言，它們比較厚的基板對導體特性（如銅箔表面粗糙度）更敏感。

如何選擇傳輸線電路

在射頻/微波和毫米波頻率下，電路設計工程師主要使用以下常規傳輸線科技，如：微帶線、帶狀線和接地共面波導（GCPW）。 每種科技都有不同的設計方法、設計挑戰和相關優勢。 例如，GCPW電路耦合行為的差异將影響電路設計Dk。 對於緊耦合GCPW電路和密集傳輸線，在共面耦合區域之間使用空氣可以實現更有效的電磁傳播並减少損耗。 降到最低。 通過使用更厚的銅導線，耦合導線的側壁更高，並且在耦合區域使用更多的空氣路徑可以最大限度地减少電路損耗，但更重要的是瞭解减少銅導線衝擊厚度所帶來的相應變化。

許多因素會影響給定電路和板資料的設計Dk. 例如, the temperature coefficient Dk (TCDk) of the 電路板 資料用於量測工作溫度對設計Dk和效能的影響. 較低的TCDk值表示 電路板 資料對溫度的依賴性較小. 類似地, high relative humidity (RH) will also increase the design Dk of 電路板 資料, 特別是高吸濕性資料. 的特點 電路板 材料, 電路制造技術, 而工作環境中的不確定因素都會影響 電路板 材料. 只有瞭解這些特性並在設計過程中充分考慮這些因素，才能將其影響降至最低.