У швидкісній цифровій техніці та радіочастотній електроніці діелектрична основа друкованої плати є активним електромагнітним середовищем. Головним фізичним параметром, що визначає поширення сигналу, є діелектрична проникність, позначувана в стандартах як Dk або $\varepsilon_r$ (відносна діелектрична проникність).
Значення Dk безпосередньо впливає на узгодження хвильового опору 50 Ом, фазову затримку та втрати енергії в діелектрику.
У цьому посібнику розглядаються фізична сутність, математична формула, порівняння матеріалів та правила проектування для високочастотних друкованих плат.
Ключові висновки
- Сутність Dk: Здатність матеріалу накопичувати енергію електричного поля порівняно з вакуумом.
- Одиниці та символ: Оскільки це відношення проникностей ($\varepsilon / \varepsilon_0$), діелектрична проникність є безрозмірною.
- Швидкість сигналу: Швидкість поширення обернено пропорційна кореню з ефективного Dk: $v_p = c / \sqrt{\varepsilon_{\text{eff}}}$.
- Контроль імпедансу: Вищий Dk потребує тонших провідників для отримання 50 Ом.
- Частотна дисперсія: Зі збільшенням частоти значення Dk зменшується.
Порівняльна таблиця матеріалів для друкованих плат
| Матеріал | Специфікація | Dk (1 ГГц) | Dk (10 ГГц) | Тангенс втрат (Df @ 10 ГГц) | Застосування |
|---|---|---|---|---|---|
| Вакуум | Еталон | 1,0000 | 1,0000 | 0,0000 | Фізична база |
| Повітря | Сухе повітря | 1,0006 | 1,0006 | ~0,0000 | Повітряні лінії |
| PTFE (тефлон) | Фторопласт | 2,10 | 2,10 | 0,0004 | Радари |
| Армований PTFE | Rogers RT/duroid 5880 | 2,20 | 2,20 | 0,0009 | Супутниковий зв'язок |
| Вуглеводнева кераміка | Rogers RO4350B | 3,66 | 3,48 | 0,0037 | 5G базові станції |
| Швидкісний епоксид | Panasonic Megtron 6 | 3,71 | 3,65 | 0,0040 | Шини PCIe 5.0 |
| Стандартний FR-4 | Kingboard KB-6160 | 4,40 | 4,15 | 0,0200 | Промислова апаратура |
| Кераміка Al2O3 | Оксид алюмінію | 9,80 | 9,60 | 0,0008 | Силові модулі |
Часті запитання (FAQ)
Q: Чи має діелектрична проникність розмірність? A: Ні, відносна проникність є безрозмірною величиною.
Q: Чому Dk матеріалу FR-4 варіюється від 3,8 до 4,6? A: FR-4 є композитом зі скловолокна та епоксидної смоли. Вміст смоли в препрегу змінює результуючий Dk.