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PCB基材是決定延時(shí)線(xiàn)的穩定性的關(guān)鍵

2020-05-19 12:01:49 247

在PCB電路中,延時(shí)線(xiàn)是模擬電路和數字電路中用于調節信號的非常有用的結構元件。高頻高速延時(shí)線(xiàn)的主要特征包括工作帶寬、延遲時(shí)間、工作帶寬內的插入損耗、回波損耗、駐波比,上升時(shí)間以及延遲穩定性。延時(shí)線(xiàn)可以通過(guò)不同的電路元件來(lái)實(shí)現,比如同軸線(xiàn)、體聲波元件、聲表面波元件等,但PCB材料的選擇會(huì )對延時(shí)線(xiàn)的最終性能產(chǎn)生重大的影響。整個(gè)PCB中介點(diǎn)常數的一致性以及PCB厚度的一致性會(huì )極大影響延遲線(xiàn)的性能均一性和預期效果。很簡(jiǎn)單,不管對于帶狀線(xiàn)還是微帶線(xiàn)電路,PCB中介電常數Dk的一致性越好,材料厚度的一致性越好,該PCB中延時(shí)線(xiàn)的穩定性就越好。

 

延時(shí)線(xiàn)在電路中的作用主要是充當電磁信號傳輸媒介。當傳輸媒介是空氣時(shí),電磁信號的傳播速度等于光速30萬(wàn)千米/秒??紤]到設計人員通常使用的PCB尺寸,光速可以用11.8英寸/納秒或300毫米/納秒來(lái)計算。當電磁信號穿過(guò)其他介質(zhì)傳播時(shí),比如PCB,會(huì )因為PCB介電常數等材料屬性的作用使得信號的傳播速率變慢。所有電路材料的介電常數都大于1,而電磁波在電路材料中傳播時(shí),更高的介電常數意味著(zhù)更大的電荷容量和更低的傳播速率。

 

對于PCB上的信號線(xiàn),電磁信號的傳播速率等于光速除以介電常數的平方根。真空和空氣的介電常數Dk都認為是1。因此當空氣做為傳播媒介時(shí),電磁信號的傳播速率不變。而對于介電常數是4的FR-4材料,當電磁信號在當中傳播時(shí),傳播速率等于光速除以介電常數的平方根,即除以2。因此,信號在FR-4材料中的傳播速度是空氣或真空中傳播速度的一半。

 

對于射頻微帶延時(shí)線(xiàn),電磁場(chǎng)穿過(guò)金屬導體以及介電材料組合體,包括電路導體下方的PCB介電材料和電路上方的空氣。對于射頻帶狀延時(shí)線(xiàn),電磁場(chǎng)會(huì )穿過(guò)電路上方空氣和下方的PCB介電材料,對于使用過(guò)孔連接不同電路層的多層板電路更是如此。共面波導也通常用于射頻微波延時(shí)線(xiàn),介質(zhì)材料厚度和銅導線(xiàn)厚度容差等PCB材料特性差異都會(huì )對延時(shí)線(xiàn)的性能產(chǎn)生重大影響。

 

當然,對某一種特定的PCB材料,電路的加工工藝和組裝技術(shù)同延時(shí)線(xiàn)的性能一致性有密切關(guān)系。理想情況下,即使PCB材料的厚度和介電常數的偏差非常小且一致性很好,不同PCB材料的特性差異也會(huì )轉化為延時(shí)線(xiàn)性能差異。諸如電路連結點(diǎn)等因素造成的不期望的電容效應應該最小化,因為電容的增加會(huì )導致延遲時(shí)間的增加。而為了保證良好的電氣性能穩定性,PCB延時(shí)線(xiàn)都要設計大面積的地平面。

 

在實(shí)際的延時(shí)線(xiàn)電路設計中,尋找合適的PCB材料必須綜合權衡多個(gè)因素。若單從性能優(yōu)良的角度考慮,世強代理的羅杰斯公司的RT 5880電路材料基于PTFE且通過(guò)玻璃微光纖固化的材料。RT 5880電路材料具有極地的介電常數和極小的容差,Dk是2.2,容差是0.02。同時(shí),它的損耗因子也很小,具有多種層壓板的尺寸和厚度(最薄可以到0.005英寸)。使用RT 5880設計延時(shí)線(xiàn)時(shí),可嚴格控制厚度以降低對延時(shí)線(xiàn)的影響。當然,優(yōu)良的性能往往意味更高的成本。具有低Dk值,超低Dk容差的PCB材料一定程度上比其他材料價(jià)格更高。這些材料通常用于最具挑戰性的電路設備,比如軍用電子設備。

 

綜合考慮材料的性能和成本,羅杰斯公司的RO3003材料也是基于PTFE且經(jīng)過(guò)陶瓷加固。RO3003的介電常數是3.00,容差是0.04,它的損耗因子也很小且易于準確控制厚度以降低對延時(shí)線(xiàn)性能的影響。羅杰斯公司對層壓板對延時(shí)線(xiàn)時(shí)一種性?xún)r(jià)比很高的PCB材料,在10GHz時(shí),RO4835的Z軸介電常數是3.48,容差是0.05。除了能與無(wú)鉛工藝兼容外,該材料的厚度偏差也非常小,可以使用FR-4材料標準工藝加工以降低產(chǎn)品成本。為了滿(mǎn)足不同的設計需求,該材料的適用厚度和銅箔厚度的范圍都很大,其中厚度最薄可以為0.0066英寸。

 

為了實(shí)現延時(shí)線(xiàn)的設計目標,除了PCB材料的選擇外,還需要考慮諸多因素,射頻微波電路的每個(gè)接口都可能導致延時(shí)線(xiàn)延遲時(shí)間的增加。對于使用同軸連接器進(jìn)行信號傳輸的PCB電路,電路板與連接器之間的接口會(huì )引入延遲時(shí)間的變化。這些接口或者信號過(guò)渡點(diǎn)應盡可能保持兩端一致以降低電路延遲時(shí)間的變化。RO4835層壓板材料能提供極小的Dk容差,精確的厚度控制以及低損耗的性能水平,滿(mǎn)足延時(shí)線(xiàn)性能一致性要求。

 

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標簽: pcba

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