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Rog博客由罗杰斯公司(Rogers Corporation)的John Coonrod及其他专家提供,包括有关RF/微波材料的技术咨询和信息。
理解介电常数的真正涵义
材料来源:ROG           录入时间:2012-7-17 10:24:12

介电常数(又称相对电容率)是一个设计工程师经常用到的参数,虽然往往并不甚解其意。每种材料都有其介电常数,就连空气也不例外(略高于一个单位)。一般而言,电路设计师将这个参数用于比较不同的印刷电路板(PCB)材料。通常情况下,是以产品数据表上列出的特定频率条件下的固定值为参照。然而,不论材料质量如何,大多数PCB材料的这个数值都有所偏差。实际上,Dk值的偏差与质量关系不大,而更多地受材料的使用和测试方法的影响。

商用PCB材料的Dk值通常被表征为一个或多个参考(测试)频率下xyz轴方向上的值。一些微波设计在x-y平面(长度和宽度)上产生的电场,高于z轴平面(厚度)。例如,边缘耦合型电路设计主要在PCB层压板的x-y平面上产生电场,而传输线路则大多使用z轴平面。由于鲜有各向同性的PCB材料,因此,大多数PCB材料的Dk值都是在不同轴向上各不相同。受PCB材料的各向异性效应和电路设计的影响,采用相同层压板制造的微带线边缘耦合设计与传输线路表现出差别迥异的Dk特性。

采用特定PCB材料设计电路时,假定所知的Dk值是精确的,这依赖于每一位材料供应商正确地执行测定。不过,描述高频层压板材料的Dk值是没有意义的;事实上,有20多种不同的测定方法可用于评估PCB材料的Dk值。大多数材料供应商都采用了一种被公认为行业标准的测定方法,这种方法也支持大批量测试,以最大限度地缩短测试时间并降低测试成本。

高频层压板供应商均采用世界上最大的电子互连工业协会IPCwww.ipc.org)规定的测试方法。其中一种测试方法采用了在10 GHz频率上带状线耦合谐振器,因此,许多产品数据表上给出的Dk值均为在10 GHz频率下测得的值。对于采用了类似于这种测试电路和工作频率的设计,利用这种方法测得的Dk值在用于诸如计算机设计软件等建模应用时,能够取得精确的结果。但是,对于采用不同工作频率或不同电路结构的设计,诸如带状线测试法等其他不同测试方法得出的Dk值,或许能为设计方案提供更加精确的仿真结果。

哪怕电路设计采用了类似于测试电路的结构和Dk值测试方法,测试过程中的其他差异,也可能对电路的设计和制造方法提出不同的要求。有鉴于此,材料供应商通常提供了一个可能与材料的标称Dk值有所不同的建议Dk值,以用于建模。同样地,出于这个原因,材料供应商强调必须对材料进行全面的评估,以确定其是否适用于特定应用,就算是制造几何形状略有不同的多个原型电路,也要做这样的全面评估,以便更好地理解电磁(EM)场与材料和所设计的电路结构之间的相互影响。

一些基本的材料属性,会导致PCB层压板的标称Dk值发生偏差。例如,产品数据表上所列参数值,是基于特定的材料厚度和铜箔类型。然而,不同材料供应商提供的同一种产品,通常具备不同的介质厚度和铜箔厚度,而介电常数会随介质厚度和铜箔厚度的不同的而有所变化。事实上,甚至铜箔的表面粗糙度,也会对Dk值造成影响。罗杰斯公司的Al Horn博士最近发表的一篇论文指出,PCB层压板上的铜箔的表面粗糙度,对材料的Dk值具有显著影响。Horn博士的研究发现,铜箔的表面粗糙度能改变层压板的传播常数,并影响其介电常数。对于比较厚的层压板,铜箔表面粗糙度的影响不如对比较薄的层压板那么明显。

当介电材料受到电场的作用时,电场会导致材料中的原子和分子发生极化,形成电偶极矩。这些电偶极矩补充了电通量,与材料的电极化率有关。诸如真空等真正均匀的介质具备始终如一的介电常数,人们对此有深刻认识。但是,大多数PCB材料均由多种不同材料构成,这些材料的Dk值各不相同。每一种材料都具备不尽相同的电极化率,甚至在受到电场的作用时,产生的极化电位也有所不同。要真正了解PCM材料的Dk性能殊非易事,因此,在设计高频电路时,应当将产品数据表中给出的Dk值视作近似值,并以之为准则,而非严格的规则。


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