Während sich Leiterplatten dem Zeitalter der Hochfrequenz und Hochgeschwindigkeit nähern, sind Leiterplatten nicht mehr nur die „Basis“, die Komponenten trägt. Zusätzlich zu ihrer leitenden Funktion haben sie auch die Funktion, Hochfrequenz- und Hochgeschwindigkeitssignale zu übertragen. Wenn wir über die elektrische Leistung von Hochgeschwindigkeits-Leiterplatten sprechen, sind Dielektrizitätskonstante (Dk), Verlustfaktor (Df), charakteristische Impedanz (Z0) und Einfügedämpfung vier unvermeidliche Schlüsselwörter. Sie hängen zusammen und bestimmen gemeinsam die Übertragungsqualität von Signalen auf der Leiterplatte.
1、 Die Definition und Einheiten der vier Hauptindikatoren
1. Dielektrizitätskonstante (Dk/ε r): Die Dielektrizitätskonstante der „Verzögerungszone“ eines Signals ist eine physikalische Größe, die die Fähigkeit eines Materials misst, unter Einwirkung eines elektrischen Feldes elektrische Energie zu speichern. Einfach ausgedrückt spiegelt es den Grad der „Behinderung“ wider, die ein Signal bei der Ausbreitung durch ein Medium erfährt. Seine Definition ist normalerweise das Verhältnis der Kapazität eines Kondensators aus diesem Material als Medium zur Kapazität eines gleich großen Kondensators aus Vakuum als Medium, es handelt sich also um einen dimensionslosen Relativwert (normalerweise ausgedrückt als ε r).
·Numerische Bedeutung: Der Dk von gewöhnlichen FR-4-Platten liegt zwischen 4,2 und 4,8, während der Dk von Hochfrequenzplatten wie PTFE (Polytetrafluorethylen, allgemein bekannt als Teflon, Teflon) normalerweise zwischen 2,2 und 3,0 liegt. Je niedriger und stabiler der Dk-Wert ist, desto schneller ist die Signalausbreitungsgeschwindigkeit und desto günstiger ist sie für die Hochfrequenzübertragung.
2. Verlustfaktor (Df/tan δ): Der „Dieb“-Energieverlustfaktor, auch dielektrischer Verlustfaktor oder Verlustfaktor genannt, ist ein Parameter zur Charakterisierung des Energieverlusts dielektrischer Materialien in elektrischen Wechselfeldern aufgrund des Hystereseeffekts oder der Leckage, die durch die dielektrische Polarisation verursacht wird. Sie stellt das Verhältnis des Anteils der Signalenergie, der in die Dämmplatte „leckt“, zur in der Platte gespeicherten Energie dar und ist ebenfalls eine dimensionslose physikalische Größe.
·Numerische Bedeutung: Je kleiner der Df-Wert, desto besser. Der Df von gewöhnlichem FR-4 liegt normalerweise bei etwa 0,02, während der Df von Hochfrequenz-Hochgeschwindigkeitsmaterialien (wie Rogers RO4350B) bis zu 0,0037 oder sogar weniger betragen kann. Je kleiner Df, desto geringer ist die durch das Material selbst verursachte Signalerwärmung und -dämpfung.
3. Charakteristische Impedanz (Z0): Die charakteristische Impedanz der „ID-Karte“ der Übertragungsleitung ist das Verhältnis der Momentanspannung zum Momentanstrom, der auftritt, wenn sich das Signal auf der Übertragungsleitung ausbreitet, gemessen in Ohm (Ω). Es handelt sich nicht um einen einfachen Gleichstromwiderstand, sondern um eine umfassende Eigenschaft, die durch den verteilten Widerstand (R), die Induktivität (L), den Leitwert (G) und die Kapazität (C) der Übertragungsleitung bestimmt wird. In Hochfrequenzumgebungen kann die charakteristische Impedanz ungefähr als Z0=√ (L/C) vereinfacht werden.
·Numerische Bedeutung: Beim PCB-Design beträgt die übliche Impedanzsteuerung für Single-Ended-Signalleitungen 50 Ω oder 75 Ω, während Differenzsignale normalerweise 90 Ω oder 100 Ω betragen. Die Aufrechterhaltung der Impedanzkontinuität (dh Impedanzanpassung) ist der Schlüssel zur Verhinderung von Signalreflexionen.
4. Einfügedämpfung (IL): Die „Straßengebühr“ eines Signals. Einfügedämpfung bezieht sich auf den Grad der Dämpfung der Ausgangsleistung im Verhältnis zur Eingangsleistung, nachdem ein Signal eine Übertragungsleitung passiert hat, typischerweise ausgedrückt in Dezibel (dB). Es handelt sich um einen makroskopischen endgültigen Leistungsindikator, der direkt die „Kosten“ widerspiegelt, die das Signal auf seinem Übertragungsweg verursacht. Seine mathematische Definition ist S21 = -10 * log(Po/Pi), wobei Pi die Eingangsleistung und Po die Ausgangsleistung ist.
· Numerische Bedeutung: Je kleiner der Absolutwert der Einfügungsdämpfung ist, desto besser (dh je näher der dB-Wert bei 0 liegt). Beispielsweise bedeutet eine Einfügungsdämpfung von -3 dB, dass die Signalleistung um die Hälfte verloren geht. Bei praktischen Tests beträgt die Einheit der Einfügungsdämpfung normalerweise db/Zoll. Warum ist das so? In technischen Anwendungen wird der Einfügedämpfung bei standardisierten Messungen normalerweise eine Längeneinheit (z. B. dB/Zoll oder dB/cm) zugeordnet, in theoretischen Definitionen und Systemverbindungsbudgets handelt es sich jedoch um einen reinen dB-Wert.
· Warum wird es in der Definition normalerweise als dB/Zoll (oder dB/cm) geschrieben: „Spezifische Bedingungen“. Das Wesen der Einfügedämpfung ist das Dämpfungsverhältnis der Ausgangsleistung im Verhältnis zur Eingangsleistung. Da die Dämpfung umso größer ist, je länger das Signal auf der Übertragungsleitung läuft, ist es sinnlos, einfach zu sagen „die Einfügungsdämpfung beträgt 3 dB“ – es muss angegeben werden, auf welcher Länge der Übertragungsleitung sie gemessen wurde. Um die Leistung von Materialien in Datenblättern zu standardisieren, normalisieren Hersteller daher normalerweise die Einfügungsdämpfung auf die Längeneinheit. Zu den gebräuchlichen Einheiten gehören: · dB/Zoll: Zoll, häufig von amerikanischen Plattenherstellern (wie Rogers und Isola) verwendet. · dB/cm: Zentimeter, häufig von europäischen und asiatischen Herstellern verwendet. · dB/m: Meter, wird hauptsächlich zur Beschreibung sehr verlustarmer HF-Kabel verwendet. · Warum es Verwirrung gibt: Kontext der beiden Ausdrücke · Materialeigenschaftskontext (Einheitslänge dB): Wenn wir Materialien auswählen, bezieht sich die Aussage „Der Einfügungsverlust von Material A beträgt 0,7 dB/Zoll bei 10 GHz“ auf die Dämpfung von 0,7 dB pro Zoll der Übertragungsleitung bei einer Frequenz von 10 GHz. Dies spiegelt die Verlusteigenschaften des Materials selbst wider. · Systemverbindungskontext (Gesamt-dB): Wenn Designer die Gesamtdämpfung einer tatsächlichen Übertragungsleitung (z. B. einer 10 Zoll langen Leiterbahn) berechnen, berechnen sie diese als 0,7 dB/Zoll × 10 Zoll = 7 dB (plus andere Verluste wie Steckverbinder). Zu diesem Zeitpunkt umfasst die Angabe „Gesamteinfügungsdämpfung dieser Verbindung beträgt 7 dB“ nicht die Längeneinheit, da es sich um den Gesamtdämpfungswert des spezifischen Pfads handelt. · Umrechnung und ergänzende Erläuterung · Diese beiden Einheiten sind umwandelbar: · 1 dB/Zoll ≈ 0,394 dB/cm · 1 dB/cm ≈ 2,54 dB/Zoll Für Tests von Simulationssoftware oder Netzwerkanalysatoren ist die endgültig angezeigte Kurvenachseneinheit zwar dB, aber beim Einstellen der Länge des zu testenden Geräts hat das Instrument den Längenfaktor bereits durch Techniken wie „De-Embedding“ berücksichtigt und das berechnete Ergebnis ist tatsächlich der Gesamtverlust-dB-Wert unter dem spezifischen Pfad.
Wenn von „Einfügungsdämpfung eines Materials“ die Rede ist, wird diese normalerweise von einer Längeneinheit (z. B. dB/Zoll) begleitet, um den Vergleich der Vorzüge verschiedener Materialien zu erleichtern. Wenn von „Einfügungsdämpfung eines bestimmten Kanals“ die Rede ist, wird diese normalerweise einfach in dB angegeben, was die Gesamtdämpfung dieses Pfads angibt