如何選擇線路板材料縮小射頻電路尺寸？

隨著人們對(duì)電子設(shè)備移動(dòng)性和便攜性需求的日益增強(qiáng)，電路的小型化設(shè)計(jì)變得越來(lái)越重要。在開(kāi)始設(shè)計(jì)電子產(chǎn)品之前，選擇一款恰當(dāng)?shù)木€路板材料有助于設(shè)計(jì)出更小體積的RF和微波電路。對(duì)于給定的頻率范圍，使用較高介電常數(shù)（Dk）的線路板材料，通常會(huì)使電路的設(shè)計(jì)尺寸和結(jié)構(gòu)變小。但是，采用較高Dk值的板材，會(huì)導(dǎo)致電路的插入損耗增加，還有可能降低電路其它方面的指標(biāo)性能。同時(shí)， 線路板材料的Dk值也會(huì)影響電路的指標(biāo)參數(shù)，例如：輻射損耗、色散、耦合等。

對(duì)于給定的頻率，其介質(zhì)中的波長(zhǎng)會(huì)隨著線路板材料Dk的增加而減小，從而導(dǎo)致在Dk值較高的線路板材料上設(shè)計(jì)出來(lái)的電路尺寸要比在Dk值較低的線路板材料上設(shè)計(jì)出的電路尺寸更小。另外，具有較高Dk值的線路板材料也會(huì)降低通過(guò)這些材料中電磁波(EM)的相位速度。線路板材料的Dk通常采用在10GHz時(shí)，通過(guò)材料的z軸方向(即厚度方向)測(cè)量得到的值。商用線路板材料的z軸Dk值可以高達(dá)10以上(或更高)，也可以低至2(與空氣的Dk等于1相比)。但客觀的講，但通常Dk值為6或更高，就可以認(rèn)為是高介電常數(shù)的板材了。

采用Dk值較低的線路板材料制作而成的傳輸線具有更快的相速度。對(duì)于相位敏感電路（如相控陣天線）的小型化設(shè)計(jì)，就必須要考慮Dk的影響。此外，Dk值較高的線路板材料比Dk值較低的線路板材料表現(xiàn)出更大的色散性。Dk值較高的線路板材料通常用于定向耦合器以及其它需要較高耦合系數(shù)的電路。

就Dk這個(gè)指標(biāo)而言，線路板材料通常是各向異性的，盡管材料在其三個(gè)軸上的Dk值都不相同，但通常人們習(xí)慣根據(jù)材料z軸方向上的Dk值來(lái)進(jìn)行相互比較。對(duì)于具有較高Dk值的材料，電路在z軸和x-y平面之間的Dk差異，往往大于Dk值較低的材料。線路板材料所有三個(gè)維度上的Dk值將共同決定在該材料上制作的傳輸線（如微帶線）性能。對(duì)于許多高頻電路來(lái)說(shuō)，通常不需要考慮線路板材料Dk的各向異性特性，但各向異性確實(shí)會(huì)帶來(lái)一些潛在的未知問(wèn)題，特別是當(dāng)x-y平面的Dk值與z軸上的Dk值相差很大時(shí)。這種差異可能導(dǎo)致邊緣平行耦合電路產(chǎn)生意料之外的問(wèn)題，因?yàn)槠漶詈细叨纫蕾?lài)于x-y平面上的Dk值。

當(dāng)試圖使電路小型化時(shí)，最容易想到的方法是最小化線路板材料的厚度，但是線路板材料的厚度會(huì)影響高頻電路的多個(gè)指標(biāo)性能。雖然高頻電路的輻射損耗會(huì)隨著頻率的增加而增加，但較厚的線路板材料也會(huì)比具有相同Dk值的較薄的線路板材料表現(xiàn)出更高的輻射損耗。對(duì)于給定的電路布局和設(shè)計(jì)，Dk的選擇還會(huì)影響輻射損耗的大小，因?yàn)镈k值較高的線路板材料的輻射損耗要比Dk值較低的線路板材料低。

對(duì)于可能引起諧振或雜散干擾的電路（例如多層PCB中的電路之間），使用較薄的線路板材料是有益的。諧振雜散程度通常取決于電路中傳輸線的類(lèi)型，例如微帶傳輸線往往比其它類(lèi)型的射頻/微波傳輸線（如：帶狀線、共面波導(dǎo)CPW傳輸線）更容易受到諧振和傳播問(wèn)題的影響。更薄的線路板材料可以幫助縮小PCB的體積，同時(shí)限制輻射損耗和傳輸線傳播問(wèn)題，如諧振和交調(diào)。常用的工程經(jīng)驗(yàn)是：使用比電路最高工作頻率的四分之一波長(zhǎng)更薄的線路板材料。但更保險(xiǎn)的方法是：在厚度上選擇比最高工作頻率的八分之一波長(zhǎng)更薄的線路板材料。

傳輸線(例如微帶線) 的線寬尺寸會(huì)取決于線路板材料(例如電路層壓板或半固化片材料)的厚度。使用較厚基板的電路會(huì)使導(dǎo)體寬度變寬，可以降低電路的導(dǎo)體損耗和插入損耗，但這種情況下可能會(huì)產(chǎn)生一些電磁波傳播上問(wèn)題。為了選擇適用于高頻設(shè)計(jì)的線路板材料厚度，通常導(dǎo)體寬度也應(yīng)小于最高工作頻率的八分之一波長(zhǎng)。

線路板材料的Dk在決定傳輸線導(dǎo)體寬度方面起著重要作用，因?yàn)樵诟逥k線路板材料上設(shè)計(jì)的相同尺寸的導(dǎo)體，與低Dk材料上的相同電路具有更低的阻抗。因此，為了使電路保持50Ω特性阻抗，在Dk值較高的線路板材料上設(shè)計(jì)的線路就會(huì)更窄。

明智的選擇

在使用不同Dk值的線路板材料設(shè)計(jì)電路時(shí)，需要考慮許多權(quán)衡取舍的問(wèn)題。使用高Dk的線路板材料，不但可以減小電路尺寸，而且還可以通過(guò)將高Dk和低Dk線路板材料組合起來(lái)實(shí)現(xiàn)高性能的小型化電路。例如，由諧振單元構(gòu)成的帶通濾波器，其尺寸高度取決于線路板材料的Dk。因?yàn)槊總€(gè)濾波器單元之間的間距，決定了電路中受線路板材料Dk影響的耦合強(qiáng)度。具有高Dk的線路板材料提供了更強(qiáng)的耦合，并且允許濾波器諧振單元之間有更大的空間。

為了驗(yàn)證使用不同Dk值的線路板材料（將不同Dk值的材料組合成一個(gè)復(fù)合組件）的優(yōu)點(diǎn)，在高Dk和低Dk線路板的復(fù)合材料上設(shè)計(jì)了一款帶通濾波器。該濾波器采用的高Dk材料為RT/duroid 6010.2LM線路層壓板，其Dk值為10.7；和采用的低Dk材料為2929 半固化片，其Dk值為2.9，這兩種材料均來(lái)自羅杰斯公司(網(wǎng)址：www.rogerscorp.com)。由于不同Dk值的線路板材料會(huì)給電路性能帶來(lái)差異，因此需要借助計(jì)算機(jī)進(jìn)行模擬仿真，通過(guò)建模來(lái)確定兩種不同材料厚度所需的比例。這種建模方法可以幫助我們?cè)O(shè)計(jì)一個(gè)完美的復(fù)合濾波器，實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，復(fù)合材料設(shè)計(jì)出來(lái)的濾波器，其尺寸不但保持了在單一高Dk材料上的體積大小，而且還具有改進(jìn)的電氣性能。例如：顯著減少了高次諧波諧振，同時(shí)濾波器阻帶特性也有了明顯改善。研究表明，通過(guò)在電路中使用一種以上的線路板材料，在不犧牲性能的情況下，電路的小型化往往是可能的。

原文標(biāo)題：選擇恰當(dāng)?shù)木€路板材料縮小射頻電路的尺寸

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