了解电路材料Dk值的具体含义可减少设计更改

2020-06-05 来源:微波射频网作者:罗杰斯-John Coonrod 我要评论(0) 字号:

在PCB电路的开发阶段,通常要经历几次电路设计迭代,包括测试、再设计、重新加工电路等。这些多次的更改可能导致成本上升,一个项目从开始开发到推出市场经历4次到8次的更改并不少见。比较惯用的方式是使用电路仿真软件做好精确的仿真从而可以大幅度减少变更次数和相关成本。

有许多非常好的仿真软件工具,可以使电路设计师能够对电路的电气性能进行预估计。所有类似的这种电路仿真都是基于电路模型上进行的,与电路的阻抗、插入损耗等密切相关。通过电路仿真可以得到电路的很多性能和属性,但往往实际电路性能与仿真模型的仿真结果存在一些差异。其中有的差异小;而有的差异却非常显著。

在设计师将数据输入到仿真软件之前,他们需要理解所填数据的具体含义和细节。由于电路的独有期望性能,所有仿真模型都不尽相同,因此输入的数据可能并不完全适合该模型。仿真结果的不准确性可能是由定义模型时用户的输入数据造成的。有时,可能是用户的疏忽,也可能是用户认为准确的信息实际并不准确。其中一个潜在的不精确因素就是电路所使用PCB材料的介电常数(Dk)值。可能Dk值本身是准确的,但用户可能由于对如何获得Dk值及其表示内容的误解而不恰当地使用它。

任何介电材料的Dk都与频率有关。换言之,当测试同一片材料且使用相同的测试方法时,在不同频率下测试时,其 Dk值会略有不同。通常在几兆赫兹到约5GHz~10GHz的频率范围内,Dk随着频率的变化略大。对于大多数低损耗电路材料, 从10GHz到250GHz,Dk频率曲线会有一个轻微的负斜率变化。考虑到这个频率范围,再根据电路材料的极化程度,随着频率的增加,通常Dk减小在2%或更小的范围内。为了更精确的电路建模,应使用与电路相同频率产生的材料Dk数据。

另一个问题是各向异性,对于电路仿真中使用的Dk值来说,这一问题通常更容易被忽略。大多数电路材料都是各向异性的,这意味着Dk在材料的三个轴上的值不一样。电路材料的Z轴(厚度方向)Dk与材料的x-y平面Dk不同,是很常见的。X轴和Y轴的Dk值通常相似,但X,Y轴与Z轴的Dk值通常差别很大。此外,对于材料Dk的测试有很多的测试方法,某些测试方法仅评估材料Z轴的特性而某些方法评估X-Y平面的特性。

如果设计师在他们的模型中使用的Dk信息是X-Y平面(而不是Z轴)的,则它可能不适合他们的特定模型。了解用什么样的测试方法来测定Dk以及获得Dk值的测试频率是有非常有帮助的。

对于大多数高频电路材料,其Dk值通常在4左右或更低,各向异性通常不那么显著。在大多数情况下,Z轴和X-Y平面Dk值之间的差异不超过3%。然而,对于非填充的玻璃布增强电路材料,Dk差异可能要高得多。

在Dk值较高的材料(如Dk值为6或更高的材料)情况下,与X-Y平面Dk值和Z轴的Dk值有更大的差异。对于这些材料,由于各向异性通常材料的Dk差异为5%至15%(实际值取决于具体材料)。也有一些例外,某些高Dk材料具有很小的各向异性。不管怎样,设计师在使用Dk值较高的材料时都应考虑各向异性。

最后,设计师应该使用与其电路设计结构最相似测试方法所得的Dk值,且频率相同。由于测试方法的数量有限,电路应用的种类繁多,设计师可能很难在测试方法和它们的模型之间找到很好的匹配。无论如何,设计人员应该了解并尝试使用尽可能接近其模型的生成的Dk值。此外,可与材料供应商联系,确认他们是否能提供更适合其设计的Dk信息。

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