仔细考虑并选择材料的不同介电常数值

2021-08-26 来源:微波射频网作者:罗杰斯先进电子解决方案 我要评论(0) 字号:

近年来,随着高频电路的迅猛发展,人们对产品的便携性和移动性需求日益增加,因此电路板小型化设计也得到了越来越多的关注。电路PCB材料的选择通常从线路板材料的介电常数(Dk)开始考虑,位于线路板众多参数考虑的最前面。采用慢波传播结构的电路是一种电路小型化技术之一,但选择Dk值较高的PCB材料是电路具有较小的尺寸的较为直接的方法。当然,在某些特定情况下,不能一味追求选择高介电常数的线路板材料。实际设计中,既要能满足电子电路的小型化尺寸,又能使线路板材料的Dk值不至于太高。

高频印刷电路板(PCB)的物理尺寸通常与电路上传播信号的波长有关,波长又会随着信号频率的增加而减小。表1快速比较了Dk值相对较低和较高的两种PCB材料之间的差异。根据高频材料的不同特性,这种比较在一定程度上或多或少可以帮助工程师快速筛选出大概满足设计需求的线路板材料,这其实也具有重要意义。

表1. 线路板材料中高低Dk值的差异

线路板材波长相速度各向异性辐射色散损耗耦合插入损耗
低Dk
高Dk

以上述两种不同类型的线路板材料为例,对于工作在相同频率下的两个射频/微波电路,在Dk值较低的PCB材料上加工出来的电路会具有较长的波长。由于大多数射频/微波电路设计都基于波长的尺寸特征,因此具有较高Dk值的线路板材料在给定频率下会产生较小的波长,从而导致加工出来的PCB具有较小的电路尺寸。

具有不同Dk值的电路基板材料之间的相速度差异也会成为选择线路板材料的考虑因素之一,特别是在实现的电路功能与相速度、群延时或传播延迟等参数十分敏感时。Dk值较低的线路板材料比Dk值较高的线路板材料具有更快的相速度。对于时延精确度十分敏感的电路(例如延迟线和高速数字电路),可能会受到具有不同相速度或传播延迟的传输线的影响,对于此类电路,特别需要考虑所选择线路板材料的Dk值大小。

通常情况下,线路板材料在三个维度(x,y,z)方向上的Dk值各不相同,并且这几个值都会影响加工制作的电路的性能。但线路板材料通常是根据其z轴(厚度)方向上的Dk值作为典型值来进行相互比较的。线路板材料在x轴、y轴与z轴之间存在差异是很正常的现象,这种特性称为线路板材料的各向异性。Dk值较高材料的各向异性通常大于Dk值较低的线路板材料的各向异性,这种差异的原因是由高频线路板材料的制造方式造成的。尽管线路板材料在x、y平面、z轴上均具有不同的Dk值,但相对而言,x和y轴上的Dk值彼此更加接近。

x-y平面的Dk值和z轴Dk值之间的差异对于许多类型的高频电路(例如单传输线或短截线)而言通常并不是那么重要,但它确实会影响某些具有耦合特性电路的性能。为了解决高各向异性给耦合电路带来的影响,一些高Dk的线路板材料在设计时就已经考虑到这个影响因素,将材料的各向异性做了最小化设计(如表2中所示,与其它材料相比,表中TMM 10i和TMM 13i两款线路板材料的x-y方向和z轴上Dk值已经十分接近了)。

表2. 高频线路板材料各向异性的比较

材料型号Dk值
z轴设计
SPDR Dk值
x-y平面
RO3003™基板33.05
RO3006™基板6.57.2
RO3010™基板 11.212.4
RO3035™基板 3.63.7
RO3206™基板6.68.3
RO3210™基板 10.813.3
   
RO4003C™基板3.553.7
RO4003C LoPro®基板3.53.7
RO4350B™基板3.663.75
RO3003B LoPro®基板3.553.75
RO4360G2™基板6.46.5
   
RT/duroid® 6002 基板2.942.94
RT/duroid 6006 基板6.458.3
RT/duroid 6010.2 LM 基板10.713.4
RT/duroid 5880 基板2.22.3
   
TMM® 3 基板3.453.4
TMM 4 基板4.74.8
TMM 6 基板6.36.5
TMM 10 基板9.810.8
TMM 10i 基板9.910.3
TMM 13i 基板12.212.3

线路板材料的Dk值同样也会影响其它高频方面的参数,包括辐射损耗、色散、耦合和插入损耗。其中,辐射损耗是由多方面因素造成的,特别是电路自身的设计及其工作频率,高频电路比低频电路具有更大的辐射损耗。另外,基板材料的厚度也是辐射损耗影响因素之一。同样一个电路,相比较薄的基板,在较厚基板上加工的电路会呈现出更大的辐射损耗。第三,线路板材料的Dk值也会对辐射损耗产生影响,Dk值较高材料设计的电路往往比Dk值较低的材料具有更低的辐射损耗。

众所周知微带传输线是色散的,而基于带状线的高频电路传输线是非色散的。然而,线路板材料本身是具有色散性的,色散程度取决于线路板材料的Dk随频率变化的程度。通常,Dk值较高的线路板材料会比Dk值较低的线路板材料呈现出更大的色散变化。但是也有例外,必要时可以更改线路板材料的配方,以减少材料的色散。

不同介电常数电路的耦合特性差异,在耦合微带线带通滤波器中通常容易显现出来。在带通滤波器的不同谐振单元之间的耦合系数可以通过使用高介电常数的材料来增加耦合性。耦合微带线滤波器谐振单元之间的是通过线路板材料x-y平面来进行耦合的,因此线路板材料的各向异性指标对于此类滤波器十分重要。具有较高Dk值的线路板材料可用于定向耦合器和其它需要较高耦合系数的电路。例如,由于电路信号层和接地层之间的耦合更紧密,从电路和电路材料上辐射出来的能量较少,从而,高Dk线路板材料可使微带电路产生更强的耦合。

两个相似的电路,分别加工在Dk值高低不同的两种线路基板上,可以发现,在较高Dk线路板上加工的电路通常比较低Dk的线路基板具有更高的插入损耗。尽管材料本身不会直接引起插入损耗的差异,但是具有较高Dk值的线路板材料会使导波信号波长变小,电路特性也会变小。高Dk值会使信号导线变窄,与低Dk较宽的信号导体相比,较窄的信号导线将带来更大的导体损耗。这说明在具有较高Dk值的线路板材料上加工电路时,电路的插入损耗通常高于低Dk值的线路板。

当尝试利用高Dk线路板材料来实现电路的小型化设计时,工程师应该充分考虑Dk值变化给电路的射频性能带来的不同影响。

图1. 不同Dk的耦合微带线带通滤波器尺寸

图1是两个不同Dk值的耦合微带线带通滤波器的示意图。两个带通滤波器具有完全相同的响应特性,中心频率为2.5 GHz,带宽约为300 MHz,分别使用不同Dk值的PCB材料制作加工。可以看到,这里较高Dk线路板材料上滤波器的尺寸约为较低Dk线路板材料上滤波器尺寸的37%。使用高Dk值的线路板材料,每个滤波器单元导体宽度相对更窄,同样其50欧姆的馈线的宽度也相对更窄。

每个滤波器谐振单元之间的间距,也与线路板材料的Dk值相关。这个距离会影响滤波器单元之间的耦合大小,在一定程度上影响滤波器的带宽和其它特性。为了使具有不同Dk值的线路板材料上滤波器的性能相同,就必须保证Dk值高的材料上滤波器具有更大的谐振单元间隙。高Dk材料更容易实现高耦合,因此需要加大谐振单元之间的间隙,这样才可以确保两个电路之间的耦合系数相同,使得两个带通滤波器在具有不同Dk值的线路板材料上具有相同的性能。

图2. 耦合微带线带通滤波器横奇模和偶模的场分布

电路上有效Dk值(在PCB材料上的电路所实际呈现的Dk值)的差异也会影响高频电路的性能。例如,耦合微带线滤波器的奇模和偶模两种不同模式(见图2)。在偶模下,有效Dk基本上就是材料的Dk。但是在奇模模式下,有效Dk是线路板材料及其电路周围空气1共同作用下的介电常数。因此,工作于奇模的电路有效Dk通常低于偶模。

对于耦合微带线带通滤波器的两种模式,有效Dk的差异还与两种模式的相速度差有关。当设计的相速度不同时,需要考虑奇模情况下电路产生的寄生谐波响应。如果可以使两种滤波器模式的相速度相同,寄生谐波就可以减少。

多层复合结构的电路

尽管具有不同Dk值的线路板材料在性能上会产生差异,但有时可以利用这种差异,将不同Dk值的线路板材料组合在一起,形成增强型的多层结构。在某些情况下,可能出于成本原因采用多层复合结构,也有可能为了提高电路的性能采用多层复合结构。如以下实验所示,将具有完全不同Dk值的线路板材料组合起来,电路的某些特性和性能可以得到显著提高。

图3. 实验电路的多层复合结构的横截面示意图

我们精心挑选了多款不同类型线路板材料设计加工的带通滤波器进行实验,结果表明复合线路板材料1可以有效提高滤波器的性能。对于同一个电路,使用不同基板材料组合而成的复合结构可以使耦合微带线带通滤波器的杂散谐波水平降至最低。与在单个基板材料上的带通滤波器相比,在靠近信号平面附近使用较高Dk的线路板材料,然后在接地面附近使用较低Dk的线路板材料,通过这种复合加工出来的电路,可以显著减少不必要的谐波寄生谐振(请参见图3)。在两种不同材料的电路中,奇模和偶模的信号相位速度可以近似相同,但滤波器的杂散水平要低得多,而且还不会牺牲滤波器的通带和阻带性能。

为了使复合材料的电路设计中偶模和奇模的相速度差异最小化,采用了多种模型来计算高Dk和低Dk材料所需的厚度比,以便使两种模式的相速度差最小。设计中分别考察了几种在单层和多层复合材料结构中的带通滤波器,通过实验更好地了解材料Dk值对电路设计的影响,以及具有不同Dk值的多层复合材料结构如何高效组合,达到改善电路性能的效果。

图4. 两种不同材料下测试窄带耦合微带线带通滤波器性能

本次实验中的标准参考电路使用了罗杰斯公司的25mil厚,型号为RT/duroid®6010.2LM的高频板,加工出来的电路测试结果如图4中的ID#1号曲线所示。作为对比,多层复合结构电路是由25mil厚的RT/duroid®6010.2LM高频板,以及同样来自罗杰斯公司的6mil厚的2929半固化片材料,其测试结果如图4中的ID#3号曲线所示。其中,RT/duroid 6010.2LM的z轴(厚度)方向的Dk为10.7,而2929半固化片的Dk为2.9。

宽带滤波器在谐振器单元之间采用紧耦合,而窄带滤波器在谐振器单元之间采用松耦合。对于这两种不同类型的耦合情况,分别在标准和多层复合结构上对不同类型的滤波器进行了评估。在图4中的滤波器是窄带滤波器,滤波器分别是ID#1号曲线是标准线路板材料上的窄带耦合微带线带通滤波器的特性,ID#3号曲线是多层复合结构下相同的窄带滤波器,可以看到其杂散谐波响应已大幅降低。

图5. 两种不同材料下测试宽带耦合微带带通滤波器性能。

为了进一步验证,同时设计了一个宽带版本的滤波器,用于证明使用复合电路材料可以减少杂散谐波的方法,同样适用于其它具有不同耦合类型的电路。从图5可以看到,与在标准电路材料(ID#1)上制造的相同滤波器相比,宽带耦合微带带通滤波器(ID#3)的多层复合结构实现了对杂散信号模式的更高抑制。

采用高Dk线路板材料是实现小尺寸高频电路的一种常用方法。但是,如图4和图5所示,通过将低Dk和高Dk的线路板材料组合在一起,这样可以在设计中同时兼顾两种材料的优势,获得良好的电路性能。

参考文献

1. John Coonrod, “Applied Methodology for Harmonic Suppression of Microstrip EdgeCoupled Bandpass Filters using Composite CircuitMaterials,” European Microwave Week, June 2015.

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