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高频性PCB设计技术

高频性PCB设计技术

1.高频电子产品中具有控制特性阻抗性PCB设计技术所涉及方面
  具有高精度控制特性阻抗性PCB制造,是整体把握设计技术所保证。而这一系统整体设计技术,主要包括了基板材料介电特性、部品特性、设计方法、PCB制造特性、组装方法等技术。高精度控制特性阻性PCB有着三大方面(高精度层压技术、高精度电镀技术、高精度图形形成技术)要素技术。
  一般高频性印制电路板基板材料特性,包括着它信号传播损失小(具有低介电常数性、低介质损耗因数性)、信号传输速度高、在介电特性方面受到频率、温度、湿度变化下而表现出高稳定性等内容。
  选择高频性印制电路板基板材料,首先必须要考虑到它在高频电路PCB上信号传播损失特性。1GHZ以上领域内还会存在着由于“表皮效果”(又称为“肌肤效应”)问题,它造成导体损失。
  还应该认识到,在基板材料上、在PCB制造上、在组装上由于存在着微小偏差(特别是在层间厚度、介电常数、导体厚度、导体宽度四个方面偏差),就会造成基板材料特性阻抗不整合,出现反射、衰减量增大。
  2.有关基板材料选择
  制造高频性印制电路板,对基板材料选择是十分重要。在选择基板材料时,应该注意以下几点原则。
  (1) 对影响介电特性关键项目考虑
  对绝缘基板材料介电体特性考虑,首要是要选择介质损失因数值小基板材料。基板材料树脂分子构造中具有极性结构部分,由于在高频条件下对频率条件下对频率信号会产生振动、热、杂波变化,至使信号电压出现衰减。
  另外,要选择介民常数小基板材料。介电常数与介电体损失、信号传输速度、信号波长缩短率相关。基板材料介电常数值高,波长缩短率则大。例如,一般环氧树脂-玻璃纤维布基覆铜板(通称FR-4)介电常数(公称值)为“4.7”,为了简便计算让为“4.0”。 1GHZ模拟信号波长在空气中(空气介电常数为1)为30mm,当传输路线为300mm长时,振幅次数为10个。采用FR-4基板材料配线图形,由于它介电常数比空气介电常大4倍,在同样长度(30mm)传输路线情况下,振幅次数增加到20个。而在信号振幅方面,由于反射、吸收关系其信号衰减量要大于在空气中传输衰减量。
  RF电路、天线电路多采用波长(λ)为λ/4设计。由于存在着介电常数与波长缩短率成正比关系,使用这两种电路设计,对基板材料要求低介电常数设计。在过去用KHZ、MHZ频率电路设计时代,曾经使用过高介电常数、低介质损失因数陶瓷基板材料(它介电常为10,介质损失因为0.0002)。在1GHZ传输频率下,信号波长在空气中为30mm,而采用FR-4基板材料配线图形上信号波长为15mm。λ/4设计方式下,配线长度缩短为3.75mm。从印制电路板制造质量精度上考虑,使用高介电常数基板材料,若想得到所要求高频性能是很困难。因此,在1GHZ以上电路要求情况下,采用低介电常数基板材料制造PCB是十分必要。而使用有机树脂系基材,要比陶瓷基材更易实现基板材料低介电常数、低介质损失因数化要求。
  (2) 在频率变化下对介电体特性考虑
  目前一般所用典型基板材料--FR-4覆铜板及具体代表性低介电常数基材料,在不同频率条件下介电常数和介质损失因数变化情况。
  从测试结果可以看出,低介电常基板材料,在1GHZ以上在介电特性上是基本变化不大。而在1MHZ -1MHZ频率范围内,它介电特性测定值“混乱”--变化跳动较大。
  FR-4基板材料介电常数在1MHZ时是4.7,在1GHZ时是4.3。随着频率条件不同而略微有变化。并且从1MHZ到1GHZ频率增高,它表现出略微下降趋势。
  (3) 在环境变化下对介质体特性考虑
  选择高频电路用基板材料,还应该注意考察在高频元器件发热量大情况下,以及在高温、高湿环境情况下,基板材料介电特性变化大小。一般要选择在上述环境变化下介电特性变化小基板料。在高温、高湿环境情况下,一般基板材料ε和tanδ值是上升。因此,根据所使用环境中温度、湿度变化情况,去掌握基材料介电特性能变化量,是十分重要。