ค่าคงที่ไดอิเล็กตริก (Dk) และปัจจัยการสูญเสีย (Df) ของแผงวงจรพิมพ์ความถี่สูงเป็นพารามิเตอร์หลักที่กำหนดคุณภาพของการส่งสัญญาณความถี่สูง พารามิเตอร์ที่ระบุของผู้ผลิตหลายรายมีปัญหา เช่น สภาวะการทดสอบที่ทึบแสงและการติดฉลากปลอม ซึ่งอาจนำไปสู่ข้อผิดพลาดในการออกแบบและการผลิตจริงได้อย่างง่ายดาย ด้านล่างนี้ เราจะสรุปประเด็นความรู้เชิงปฏิบัติหลักของพารามิเตอร์ทั้งสองนี้ เพื่อช่วยคุณหลีกเลี่ยงกับดักพารามิเตอร์
คำจำกัดความพื้นฐานและคำศัพท์ทั่วไปของอุตสาหกรรม
ค่าคงที่ไดอิเล็กตริก (Dk/ε r): แสดงถึงความสามารถของซับสเตรต pcb ในการเก็บประจุในสนามไฟฟ้า ในทางวิศวกรรม หมายถึงค่าคงที่ไดอิเล็กทริกสัมพัทธ์ (ค่าสุญญากาศ 1) ซึ่งเป็นคุณสมบัติภายในไร้มิติ
ปัจจัยการสูญเสีย (Df/tan δ): หมายถึงสัดส่วนของพลังงานไฟฟ้าที่ถูกแปลงเป็นพลังงานความร้อนต่อหน่วยเวลาโดยซับสเตรตภายใต้สนามไฟฟ้ากระแสสลับความถี่สูง หรือที่เรียกว่าแทนเจนต์การสูญเสียอิเล็กทริก
กับดักพารามิเตอร์ที่มองข้ามได้ง่ายที่สุด
ความถี่ในการทดสอบไม่ตรงกัน: โดยทั่วไปแล้ว Dk ของ fr4 ธรรมดาจะวัดที่ความถี่ต่ำ 1MHz ในขณะที่แผงวงจรพิมพ์ความถี่สูงต้องการข้อมูลที่วัดได้อย่างน้อย 10GHz (X- แบนด์) และพารามิเตอร์ความถี่ต่ำไม่สามารถแสดงถึงประสิทธิภาพของฉากที่มีความถี่สูงได้เลย
การมาร์กเสมือนพิกัดความเผื่อที่กำหนด: ความแตกต่างแบทช์ Dk ของ fr4 ธรรมดาสามารถเข้าถึง ± 0.2 ในขณะที่ค่าพิกัดความเผื่อ Dk ของวัสดุความถี่สูงที่ผ่านการรับรองควรได้รับการควบคุมภายใน ± 0.02 เกณฑ์ความคลาดเคลื่อนของการมาร์กเสมือนจะทำให้เกิดการเบี่ยงเบนของอิมพีแดนซ์จริงโดยตรงที่ 5-10 Ω ซึ่งเกินข้อกำหนดความคลาดเคลื่อนของพิกัดความเผื่อ ± 2% สำหรับวงจร RF
การปกปิดเสถียรภาพทางสิ่งแวดล้อม: วัสดุความถี่สูงที่มีราคาต่ำ-จำนวนมากไม่ได้ระบุค่าสัมประสิทธิ์อุณหภูมิคงที่ของไดอิเล็กตริก τ Dk ในสถานการณ์กลางแจ้งตั้งแต่ -40 องศาถึง+85 องศา Dk เปลี่ยนแปลงอย่างมีนัยสำคัญตามการเบี่ยงเบนของอุณหภูมิ ทำให้เกิดการเบี่ยงเบนของอิมพีแดนซ์และสัญญาณไม่ตรงกันโดยตรง
ไม่สามารถอธิบายอิทธิพลของความชื้นได้: เมื่ออัตราการดูดซึมน้ำของพื้นผิวสูงเกินไป Dk จะเพิ่มขึ้นอย่างมีนัยสำคัญหลังการดูดซึมน้ำ Df จะเสื่อมสภาพพร้อมกัน และการสูญเสียสัญญาณในสภาพแวดล้อมที่ชื้นจะเกินค่าที่ระบุอย่างมาก
ผลกระทบหลักของพารามิเตอร์สองตัวต่อประสิทธิภาพของวงจร
ค่าคงที่ไดอิเล็กทริก (Dk):
การกำหนดความเร็วในการส่งสัญญาณโดยตรง ยิ่ง Dk ต่ำ ความล่าช้าในการแพร่กระจายสัญญาณก็จะยิ่งน้อยลง และความเร็วในการส่งสัญญาณก็จะยิ่งเร็วขึ้น
เป็นพารามิเตอร์อินพุตหลักสำหรับการจำลองอิมพีแดนซ์ และการเบี่ยงเบน Dk สามารถนำไปสู่ความล้มเหลวของการออกแบบอิมพีแดนซ์มาตรฐาน เช่น 50 Ω/100 Ω ได้โดยตรง ทำให้เกิดการสะท้อนของสัญญาณ
ปัจจัยการสูญเสีย (Df):
กำหนดการสูญเสียการแทรกของสัญญาณความถี่สูงโดยตรงในย่านความถี่ที่สูงกว่า 10GHz การสูญเสียต่อนิ้วของ fr4 ธรรมดาสามารถเข้าถึง 1-2dB และสามารถควบคุมวัสดุความถี่สูงคุณภาพสูงได้ภายใน 0.2dB
ค่า Df ที่มากเกินไปอาจส่งผลให้สูญเสียพลังงานที่ปลายส่งสัญญาณ และไม่สามารถดีมอดูเลตสัญญาณอ่อนที่ปลายรับได้ ส่งผลให้ระยะการสื่อสารและความไวในการตรวจจับเรดาร์ลดลงโดยตรง
การอ้างอิงพารามิเตอร์ทั่วไปสำหรับแผ่นโลหะความถี่สูงกระแสหลัก
| ระบบวัสดุ | ค่า Dk ทั่วไป (10GHz) | ค่า Df ทั่วไป (10GHz) | สถานการณ์หลักที่เกี่ยวข้อง |
|---|---|---|---|
| สามัญ FR-4 | 4.2~4.6 | ~0.02 | วงจรดิจิตอลความเร็วต่ำต่ำกว่า 1GHz |
| ซีรี่ส์เรซินคาร์บอนไฮโดรเจน | 3.2~3.7 | 0.003~0.008 | สถานีฐาน 5G โมดูลออปติคอลความเร็วสูง- |
| ซีรี่ส์ RO4000 | 3.48~3.66 | 0.002~0.0037 | เครื่องขยายสัญญาณ RF, เรดาร์ยานยนต์ |
| ชุดดัดแปลง PTFE | 2.2~2.6 | 0.001~0.003 | คลื่นมิลลิเมตร การสื่อสารผ่านดาวเทียม เรดาร์ทางทหาร |
วิธีการทดสอบที่เชื่อถือได้ที่ใช้กันทั่วไปในอุตสาหกรรม
ไม่สามารถทดสอบ Dk และ Df ของแผงวงจรพิมพ์ความถี่สูงได้โดยใช้วิธีตาราง Q- ของ fr4 ธรรมดา วิธีการเรโซแนนซ์เส้นสตริปไลน์ที่ใช้กันทั่วไปในอุตสาหกรรมคือการวัดความถี่เรโซแนนซ์ของเครื่องสะท้อนเส้นสตริปไลน์โดยใช้เครื่องวิเคราะห์เครือข่ายเวกเตอร์เพื่อกลับค่า Dk และวัดค่า Q ปัจจัยด้านคุณภาพเพื่อกลับค่า Df ผลลัพธ์ที่ได้ใกล้เคียงกับสถานะการทำงานจริงของ PCB มากขึ้น