由技术市场经理 John Coonrod 发表
先进电子解决方案
介质系数是大多数工程师在对不同的印刷电路板 (PCB) 材料进行分类时考虑的第一件事情。需要高介质系数的电路板材料或设计需要低介质系数的 PCB 材料时，便可通过这个数值来进行查找。但介质系数到底是什么意思？如果介质系数不“合适”，它将对设计带来怎样的影响？如果电路本应该采用低介质系数的 PCB 材料设计和制造，但却使用了高介质系数的材料，会发生什么情况呢？
许多工程师学到的是，电路材料的介质系数（也称为相对电容率或 Dk）是指定材料的固定值。实际上，材料制造商在其数据资料表上列出的 Dk 值是采用特定测试方法在特定频率下得出的数字，并且这个值会在不同的条件下发生变化。因此，罗杰斯公司会参考特定的测试方法列出其材料的 Dk 值，还将提供这些材料的“设计 Dk”值，说明这些材料在不同条件下的 Dk 值，以及在设计时或对电路进行建模时可使用的值，即在商用计算机辅助工程 (CAE) 软件程序中所用的值。
本系列的以往几篇博客均探讨过介质系数对 PCB 材料的意义，包括 PCB 材料供应商用来确定其材料介质系数的不同测量值。材料的介质系数值通常会不可避免地用于与真空的介质系数（即 1）或干燥空气的介质系数（接近 1）进行比较，这是了解介质系数的标准参考值。但与真空不同，PCB 材料介质系数的测量值可能会有所不同，具体取决于所使用的测量方法和测量频率。
实际上，任何 PCB 材料的介质系数都高于真空介质系数。电路结构的尺寸（例如谐振器）取决于响应频率的波长。在波长既定的情况下，介质系数越高，电路结构的尺寸就越小。通常情况下，我们根据由介电材料形成的电容和既定电压下电容可以存储的电子或电荷量来定义介质系数。与低介质系数的材料相比，高介质系数的材料可以存储更多电荷。理论而言，在同等性能的情况下，可以通过使用介质系数较高的电路材料来缩小电路的尺寸。
许多文章都论述了 PCB 材料的选择，其中也包括本文作者的一些文章，此类文章都建议使用介质系数较高的电路材料来缩小电路（例如放大器）的尺寸。[1] 缩小 RF/微波/毫米波电路的过程仅仅是换用介质系数更高的 PCB 材料吗？有这么容易吗？还是说，转而使用介质系数更高的材料，还需要做出其他权衡？
选择 PCB 材料不仅仅是根据一个参数（例如介质系数）来选择材料这么简单。如果确实如此，寻求大型电路的电路设计师会首先选择介质系数为 3 或更低的 PCB 材料，而需要最大程度缩小电路的工程师则可以使用介质系数为 10.2 或更高的 PCB 材料。与我们将在以后的博客中仔细研究的损耗因子 (Df) 同样，选择 PCB 材料不仅仅只需要一个材料参数。没错，在工作频率或带宽既定的情况下，材料的介质系数越高，电路的尺寸就越小，但是，根据电路或要使用该材料制造的电路的具体要求，明智的材料选择应同时考虑介质系数与该应用其他关键材料的系数。
例如，在有关放大器设计的文章中，并没有简单地从数值为 3 的低介质系数材料跳到介质系数为 10.2 的电路材料。而是使用了具有较高介质系数 6.15 的材料（罗杰斯公司的 RO4360™ 热固性材料）来替代低介质系数的电路材料，以缩小电路尺寸。与介质系数相关的质量，例如介质系数公差（不同批次之间的一致性可导致介质系数变化）和介质系数随温度的变化，也应包含在不同材料的介质系数评估过程中。为了缩小放大器尺寸，还应考虑其他重要的材料参数，例如热导率。由于放大器电路会产生热量，且热量管理不当可能导致 PCB 材料发生机械和电气变化，因此材料热导率的重要性应至少与介质系数及其相关参数相同。
PCB 材料的介质系数由玻璃布、陶瓷或聚四氟乙烯 (PTFE) 等组成材料形成。电路设计师倾向于围绕某种材料的特定介质系数进行设计，但切勿忽略电路材料的 Dk 值并非常数这一事实：它会随温度和频率的不同而变化，甚至会随材料的厚度而发生变化。对不同 PCB 材料的任何比较都不能假设 Dk 值为常数。当换用 Dk 值较高的材料时，也不能假设其他材料参数是常数。
大多数 PCB 材料具有各向异性，这意味着材料不同轴的 Dk 值均不相同。材料数据资料表中通常会提供有关 Dk 公差以及随温度的 Dk 值变化情况等参数的信息。此外，罗杰斯公司已对其电路材料开展了大量评估工作，并提供了其大多数材料的介质系数与频率（特别是从 RF 到较低的毫米波频率）之间的关系曲线。
罗杰斯对材料特性的调查显示，除其他特性外，依赖 Dk 值的工作绝不应被视为理所当然。Dk 值会随着温度和频率而变化，但也可能会以意想不到的非线性方式发生变化，尤其是在较低的频率下。尽管罗杰斯投入了大量时间和精力来研究其材料的“设计 Dk”值，以体现实际条件下电路材料的介质特性，但对于很多电路材料的介质系数的非线性行为可能很难跟踪。
在下一篇博客中，我们将更加深入地探讨某些高频电路材料在较低工作频率下的非线性介质系数行为，以便更好地了解如何采用经验证的 RF/微波电路材料来设计低频电路。
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发布于 2020 年 11 月 10 日
