【经验】选择恰当的线路板材料缩小射频电路的尺寸，高Dk和低Dk线路板材料组合起来实现高性能的小型化电路

时间： 2021-01-26 来源：ROGERS

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随着人们对电子设备移动性和便携性需求的日益增强，电路的小型化设计变得越来越重要。在开始设计电子产品之前，选择一款恰当的线路板材料有助于设计出更小体积的RF和微波电路。对于给定的频率范围，使用较高介电常数（Dk）的线路板材料，通常会使电路的设计尺寸和结构变小。但是，采用较高Dk值的板材，会导致电路的插入损耗增加，还有可能降低电路其它方面的指标性能。同时，线路板材料的Dk值也会影响电路的指标参数，例如：辐射损耗、色散、耦合等。

对于给定的频率，其介质中的波长会随着线路板材料Dk的增加而减小，从而导致在Dk值较高的线路板材料上设计出来的电路尺寸要比在Dk值较低的线路板材料上设计出的电路尺寸更小。另外，具有较高Dk值的线路板材料也会降低通过这些材料中电磁波(EM)的相位速度。线路板材料的Dk通常采用在10GHz时，通过材料的z轴方向(即厚度方向)测量得到的值。商用线路板材料的z轴Dk值可以高达10以上(或更高)，也可以低至2(与空气的Dk等于1相比)。但客观的讲，但通常Dk值为6或更高，就可以认为是高介电常数的板材了。

采用Dk值较低的线路板材料制作而成的传输线具有更快的相速度。对于相位敏感电路（如相控阵天线）的小型化设计，就必须要考虑Dk的影响。此外，Dk值较高的线路板材料比Dk值较低的线路板材料表现出更大的色散性。Dk值较高的线路板材料通常用于定向耦合器以及其它需要较高耦合系数的电路。

就Dk这个指标而言，线路板材料通常是各向异性的，尽管材料在其三个轴上的Dk值都不相同，但通常人们习惯根据材料z轴方向上的Dk值来进行相互比较。对于具有较高Dk值的材料，电路在z轴和x-y平面之间的Dk差异，往往大于Dk值较低的材料。线路板材料所有三个维度上的Dk值将共同决定在该材料上制作的传输线（如微带线）性能。对于许多高频电路来说，通常不需要考虑线路板材料Dk的各向异性特性，但各向异性确实会带来一些潜在的未知问题，特别是当x-y平面的Dk值与z轴上的Dk值相差很大时。这种差异可能导致边缘平行耦合电路产生意料之外的问题，因为其耦合高度依赖于x-y平面上的Dk值。

当试图使电路小型化时，最容易想到的方法是最小化线路板材料的厚度，但是线路板材料的厚度会影响高频电路的多个指标性能。虽然高频电路的辐射损耗会随着频率的增加而增加，但较厚的线路板材料也会比具有相同Dk值的较薄的线路板材料表现出更高的辐射损耗。对于给定的电路布局和设计，Dk的选择还会影响辐射损耗的大小，因为Dk值较高的线路板材料的辐射损耗要比Dk值较低的线路板材料低。

对于可能引起谐振或杂散干扰的电路（例如多层PCB中的电路之间），使用较薄的线路板材料是有益的。谐振杂散程度通常取决于电路中传输线的类型，例如微带传输线往往比其它类型的射频/微波传输线（如：带状线、共面波导CPW传输线）更容易受到谐振和传播问题的影响。更薄的线路板材料可以帮助缩小PCB的体积，同时限制辐射损耗和传输线传播问题，如谐振和交调。常用的工程经验是：使用比电路最高工作频率的四分之一波长更薄的线路板材料。但更保险的方法是：在厚度上选择比最高工作频率的八分之一波长更薄的线路板材料。

传输线 (例如微带线) 的线宽尺寸会取决于线路板材料(例如电路层压板或半固化片材料)的厚度。使用较厚基板的电路会使导体宽度变宽，可以降低电路的导体损耗和插入损耗，但这种情况下可能会产生一些电磁波传播上问题。为了选择适用于高频设计的线路板材料厚度，通常导体宽度也应小于最高工作频率的八分之一波长。

线路板材料的Dk在决定传输线导体宽度方面起着重要作用，因为在高Dk线路板材料上设计的相同尺寸的导体，与低Dk材料上的相同电路具有更低的阻抗。因此，为了使电路保持50Ω特性阻抗，在Dk值较高的线路板材料上设计的线路就会更窄。

在使用不同Dk值的线路板材料设计电路时，需要考虑许多权衡取舍的问题。使用高Dk的线路板材料，不但可以减小电路尺寸，而且还可以通过将高Dk和低Dk线路板材料组合起来实现高性能的小型化电路。例如，由谐振单元构成的带通滤波器，其尺寸高度取决于线路板材料的Dk。因为每个滤波器单元之间的间距，决定了电路中受线路板材料Dk影响的耦合强度。具有高Dk的线路板材料提供了更强的耦合，并且允许滤波器谐振单元之间有更大的空间。

为了验证使用不同Dk值的线路板材料（将不同Dk值的材料组合成一个复合组件）的优点，在高Dk和低Dk线路板的复合材料上设计了一款带通滤波器。该滤波器采用的高Dk材料为RT/duroid® 6010.2LM线路层压板，其Dk值为10.7；和采用的低Dk材料为2929 半固化片，其Dk值为2.9，这两种材料均来自罗杰斯公司。由于不同Dk值的线路板材料会给电路性能带来差异，因此需要借助计算机进行模拟仿真，通过建模来确定两种不同材料厚度所需的比例。这种建模方法可以帮助我们设计一个完美的复合滤波器，实验结果显示，复合材料设计出来的滤波器，其尺寸不但保持了在单一高Dk材料上的体积大小，而且还具有改进的电气性能。例如：显著减少了高次谐波谐振，同时滤波器阻带特性也有了明显改善。研究表明，通过在电路中使用一种以上的线路板材料，在不牺牲性能的情况下，电路的小型化往往是可能的。

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dylen Lv7. 资深专家 2021-01-26

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夏拉 Lv7. 资深专家 2021-01-26

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好运常伴吾 Lv8. 研究员 2021-01-26

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