La constante diélectrique (Dk) et le facteur de perte (Df) des cartes de circuits imprimés haute fréquence sont les paramètres essentiels qui déterminent la qualité de la transmission des signaux haute fréquence. De nombreux paramètres nominaux de fabricants présentent des problèmes tels que des conditions de test opaques et des étiquetages erronés, qui peuvent facilement conduire à des pièges dans la conception et la production réelles. Ci-dessous, nous résumerons les principaux points de connaissances pratiques de ces deux paramètres pour vous aider à éviter les pièges des paramètres.
Définition de base et terminologie commune de l’industrie
Constante diélectrique (Dk/ε r) : caractérise la capacité du substrat du PCB à stocker des charges dans un champ électrique. En ingénierie, il fait référence à la constante diélectrique relative (valeur de vide de 1), qui est une propriété intrinsèque sans dimension.
Facteur de perte (Df/tan δ) : désigne la proportion d'énergie électrique convertie en énergie thermique par unité de temps par un substrat sous des champs électriques alternatifs à haute fréquence, également connue sous le nom de tangente de perte diélectrique.
Le piège de paramètres le plus facilement négligé
Inadéquation de fréquence de test : le Dk du fr4 ordinaire est généralement mesuré à une basse fréquence de 1 MHz, tandis que les cartes de circuits imprimés haute fréquence nécessitent au moins 10 GHz (bande X-) de données mesurées, et les paramètres basse fréquence ne peuvent pas du tout représenter les performances de la scène haute fréquence.
Marquage virtuel de tolérance nominale : La différence de lot Dk du fr4 ordinaire peut atteindre ± 0,2, tandis que la tolérance Dk des matériaux haute fréquence qualifiés doit être contrôlée à ± 0,02 près. La tolérance de marquage virtuel provoquera directement un écart d'impédance réel de 5 à 10 Ω, dépassant l'exigence de tolérance de ± 2 % pour les circuits RF.
Dissimulation de la stabilité environnementale : de nombreux matériaux haute fréquence à bas prix-n'indiquent pas le coefficient de température constante diélectrique τ Dk. Dans des scénarios extérieurs allant de -40 degrés à +85 degrés, Dk change de manière significative avec la dérive de température, provoquant directement une dérive d'impédance et une inadéquation du signal.
L'influence de l'humidité n'est pas expliquée : lorsque le taux d'absorption d'eau du substrat est trop élevé, Dk augmentera considérablement après l'absorption d'eau, Df se détériorera de manière synchrone et la perte de signal dans les environnements humides dépassera de loin la valeur nominale.
L'impact principal de deux paramètres sur les performances du circuit
Constante diélectrique (Dk) :
Déterminant directement la vitesse de transmission du signal, plus le Dk est faible, plus le délai de propagation du signal est petit et plus la vitesse de transmission est rapide.
Il s'agit du paramètre d'entrée principal pour la simulation d'impédance, et l'écart Dk peut directement conduire à la défaillance des conceptions d'impédance standard telles que 50 Ω/100 Ω, provoquant une réflexion du signal.
Facteur de perte (Df) :
Déterminant directement la perte d'insertion des signaux haute fréquence, dans la bande de fréquence supérieure à 10 GHz, la perte par pouce du fr4 ordinaire peut atteindre 1 à 2 dB, et les matériaux haute fréquence de haute qualité peuvent être contrôlés à moins de 0,2 dB.
Un Df excessif peut entraîner une perte de puissance à l'extrémité émettrice et une incapacité à démoduler les signaux faibles à l'extrémité réception, réduisant directement la distance de communication et la sensibilité de détection radar.
Référence de paramètre typique pour la tôle haute fréquence grand public
| système matériel | Valeur Dk typique (10 GHz) | Valeur Df typique (10 GHz) | Scénarios applicables de base |
|---|---|---|---|
| FR-4 ordinaire | 4.2~4.6 | ~0.02 | Circuits numériques basse vitesse inférieurs à 1 GHz |
| Série de résines de carbone et d'hydrogène | 3.2~3.7 | 0.003~0.008 | Station de base 5G, module optique-haut débit |
| Série RO4000 | 3.48~3.66 | 0.002~0.0037 | Amplificateur RF, radar automobile |
| Série modifiée PTFE | 2.2~2.6 | 0.001~0.003 | Onde millimétrique, communication par satellite, radar militaire |
Méthodes de test faisant autorité couramment utilisées dans l’industrie
Les valeurs Dk et Df des cartes de circuits imprimés haute fréquence ne peuvent pas être testées à l'aide de la méthode du tableau Q- du fr4 ordinaire. La méthode de résonance de ligne à bande couramment utilisée dans l'industrie consiste à mesurer la fréquence de résonance du résonateur à ligne à bande à l'aide d'un analyseur de réseau vectoriel pour inverser Dk et à mesurer la valeur du facteur de qualité Q pour inverser Df. Les résultats sont plus proches de l’état de fonctionnement réel du PCB.