1、我们常用的 PCB 介质是 FR4 材料的,相对空气的介电常数是 4.2-4.7。这个介电常数是会随温度变化的,在 0-70 度的温度范围内,其最大变化范围可以达到 20%。介电常数的变化会导致线路延时 10% 的变化,温度越高,延时越大。介电常数还会随信号频率变化,频率越高介电常数越小。100M 以下可以用 4.5 计算板间电容以及延时。
2、一般的 FR4 材料的 PCB 板中内层信号的传输速度为 180ps/inch(1inch=1000mil=2.54cm)。表层一般要视情况而定,一般介于 140 与 170 之间。
3、实际的电容可以简单等效为 L、R、C 串联,电容有一个谐振点,在高频时 (超过这个谐振点) 会呈现感性,电容的容值和工艺不同则这个谐振点不同,而且不同厂家生产的也会有很大差异。这个谐振点主要取决于等效串联电感。现在的比如一个 100nF 的贴片电容等效串联电感大概在 0.5nH 左右,ESR(等效串联电阻)值为 0.1 欧,那么在 24M 左右时滤波效果最好,对交流阻抗为 0.1 欧。而一个 1nF 的贴片电容等效电感也为 0.5nH(不同容值差异不太大),ESR 为 0.01 欧,会在 200M 左右有最好的滤波效果。为达好较好的滤波效果,我们使用不同容值的电容搭配组合。但是,由于等效串联电感与电容的作用,会在 24M 与 200M 之间有一个谐振点,在这个谐振点上有最大阻抗,比单个电容的阻抗还要大。这是我们不希望得到的结果。(在 24M 到 200M 这一段,小电容呈容性,大电容已经呈感性。两个电容并联已经相当于 LC 并联。两个电容的 ESR 值之和为这个 LC 回路的串阻。LC 并联的话如果串阻为 0,那么在谐振点上会有一个无穷大的阻抗,在这个点上有最差的滤波效果。这个串阻反倒会抑制这种并联谐振现象,从而降低 LC 谐振器在谐振点的阻抗)。为减轻这个影响,可以酌情使用 ESR 大些的电容。ESR 相当于谐振网络里的串阻,可以降低 Q 值,从而使频率特性平坦一些。增大 ESR 会使整体阻抗趋于一致。低于 24M 的频段和高于 200M 的频段上,阻抗会增加,而在 24M 与 200M 频段内,阻抗会降低。所以也要综合考虑板子开关噪声的频带。国外的一些设计有的板子在大小电容并联的时候在小电容 (680pF) 上串几欧的电阻,很可能是出于这种考虑。(从上面的参数看,1nF 的电容 Q 值是 100nF 电容 Q 值的 10 倍。由于手头没有来自厂商的具体等效串感和 ESR 的值,所以上面例子的参数是根据以往看到的资料推测的。但是偏差应该不会太大。以往多处看到的资料都是 1nF 和 100nF 的瓷片电容的谐振频率分别为 100M 和 10M,考虑贴片电容的 L 要小得多,而又没有找到可靠的值,为讲着方便就按 0.5nH 计算。如果大家有具体可靠的值的话,还希望能发上来 )
介电常数(Dk, ε,Er)决定了电信号在该介质中传播的速度。电信号传播的速度与介电常数平方根成反比。介电常数越低,信号传送速度越快。我们作个形象的比喻,就好想你在海滩上跑步,水深淹没了你的脚踝,水的粘度就是介电常数,水越粘,代表介电常数越高,你跑的也越慢。
介电常数并不是非常容易测量或定义,它不仅与介质的本身特性有关,还与测试方法,测试频率,测试前以及测试中的材料状态有关。介电常数也会随温度的变化而变化, 有些特别的材料在开发中就考虑到温度的因素. 湿度也是影响介电常数的一个重要因素, 因为水的介电常数是 70, 很少的水分, 会引起显著的变化.
以下是一些典型材料的介电常数 (在 1Mhz 下:
| 真空 | 1.0 |
| 纯 PTFE | 2.1 |
| GY PTFE | 2.2-2.3 |
| GX-PTFE | 2.55 |
| 氰酸酯 / 玻璃 | 3.2 |
| 氰酸酯 / 石英 | 2.8-3.4 |
| 聚酰亚胺-石英 | 3.5-3.8 |
| 聚酰亚胺-玻璃 | 4.0-4.6 |
| 环氧树脂-玻璃(FR4) | 4.4-5.2 |
| 无纺芳香胺 (aramid) | 3.8-4.1 |
| 芳香胺 (织布) | 3.8-4.1 |
| 陶瓷填充聚四氟乙烯 | 6.0-10.2 |
| Foamclad (Arlon 专利) | 1.15-1.3 |
| 水 | 70.0 |
可以看出,对于高速、高频应用而言,最理想的材料是由铜箔包裹的空气介质,厚度允差在+/-0.00001”。作为材料开发,大家都在朝这个方向努力, 如 Arlon 专利开发的 Foamclad 非常适合基站天线的应用。但不是所有的设计都是介电常数越小越好, 它往往根据一些实际的设计而定, 一些要求体积很小的线路, 常常需要高介电常数的材料, 如 Arlon 的 AR1000 用在小型化线路设计. 有些设计如功放, 常用介电常数 2.55(如 Arlon Diclad527, AD255 等), 或者介电常数 3.5(如 AD350,25N/FR 等). 也有采用 4.5 介电常数的,(如 AD450) 主要从 FR-4 设计改为高频应用, 而希望沿用以前设计.
介电常数除了直接影响信号的传输速度以外, 还在很大程度上决定特性阻抗, 在不同的部分使得特性阻抗匹配在微波通信里尤为重要. 如果出现阻抗不匹配的现象, 阻抗不匹配也称为 VSWR (驻波比).
MAX2242: 印刷电路板材料应选用 FR4 或 G-10。这类材料对大多数工作频率在 3GHz 以下的低成本无线应用都是很好的选择。MAX2242 评估板使用的是 4 层 FR4,其介电常数为 4.5,绝缘层厚度 6 mil、1oz 覆铜。
在设计像 MAX2242 这样在 2.45GHz 下输出阻抗只有大约 (8 + j5)
的低阻电路时,0.5nH 电感就可以产生 8
的感抗,8
的感抗相当于介电常数为 4.5、厚度为 6mil 的 FR4 印刷电路板上 60mil x 10mil 的微带线产生的阻抗。
谐振频率计算:f=1/(23.14159SQRT(L*C))
http://www.125time.com/home/gallery/002.html