ในขณะที่ PCB ก้าวเข้าสู่ยุคแห่งความถี่สูงและความเร็วสูง แผงวงจรพิมพ์ไม่ได้เป็นเพียง "ฐาน" ที่รองรับส่วนประกอบอีกต่อไป นอกเหนือจากฟังก์ชันการนำไฟฟ้าแล้ว ยังมีฟังก์ชันในการส่งสัญญาณความถี่สูงและความเร็วสูงอีกด้วย เมื่อเราพูดถึงประสิทธิภาพทางไฟฟ้าของ PCB ความเร็วสูง ค่าคงที่ไดอิเล็กทริก (Dk) ปัจจัยการสูญเสีย (Df) อิมพีแดนซ์ลักษณะเฉพาะ (Z0) และการสูญเสียการแทรกเป็นคำหลักสี่คำที่หลีกเลี่ยงไม่ได้ พวกมันมีความสัมพันธ์กันและร่วมกันกำหนดคุณภาพการส่งสัญญาณบนแผงวงจร
1、 ความหมายและหน่วยของตัวบ่งชี้หลักทั้งสี่
1. ค่าคงที่ไดอิเล็กทริก (Dk/ε r): ค่าคงที่ไดอิเล็กทริกของ "โซนชะลอความเร็ว" ของสัญญาณคือปริมาณทางกายภาพที่วัดความสามารถของวัสดุในการเก็บพลังงานไฟฟ้าภายใต้การกระทำของสนามไฟฟ้า พูดง่ายๆ ก็คือ มันสะท้อนถึงระดับของ "สิ่งกีดขวาง" ที่สัญญาณประสบเมื่อแพร่กระจายผ่านตัวกลาง โดยทั่วไปคำจำกัดความจะเป็นอัตราส่วนของความจุของตัวเก็บประจุที่ทำจากวัสดุนี้ในฐานะตัวกลางต่อความจุของตัวเก็บประจุที่มีขนาดเท่ากันซึ่งทำจากสุญญากาศเป็นตัวกลาง ดังนั้นจึงเป็นค่าสัมพัทธ์ที่ไม่มีมิติ (โดยปกติจะแสดงเป็น ε r)
·นัยสำคัญเชิงตัวเลข: Dk ของแผ่น FR-4 ทั่วไปอยู่ระหว่าง 4.2 ถึง 4.8 ในขณะที่ Dk ของแผ่นความถี่สูง เช่น PTFE (โพลีเตตราฟลูออโรเอทิลีน หรือที่รู้จักกันทั่วไปในชื่อเทฟลอน เทฟลอน) มักจะอยู่ระหว่าง 2.2 ถึง 3.0 ยิ่งค่า Dk ต่ำและมีเสถียรภาพมากขึ้น ความเร็วในการกระจายสัญญาณก็จะยิ่งเร็วขึ้น และยิ่งดีสำหรับการส่งสัญญาณความถี่สูง
2. ปัจจัยการสูญเสีย (Df/tan δ): ปัจจัยการสูญเสียพลังงาน "ขโมย" หรือที่เรียกว่าปัจจัยแทนเจนต์การสูญเสียไดอิเล็กทริกหรือปัจจัยการกระจาย เป็นพารามิเตอร์ที่ใช้เพื่อระบุลักษณะการสูญเสียพลังงานของวัสดุอิเล็กทริกในสนามไฟฟ้ากระแสสลับเนื่องจากผลกระทบฮิสเทรีซีสหรือการรั่วไหลที่เกิดจากโพลาไรเซชันของอิเล็กทริก โดยแสดงถึงอัตราส่วนของส่วนของพลังงานสัญญาณที่ "รั่ว" เข้าไปในแผ่นฉนวนต่อพลังงานที่เก็บไว้ในบอร์ด และยังเป็นปริมาณทางกายภาพที่ไม่มีมิติอีกด้วย
·ความหมายเชิงตัวเลข: ยิ่งค่า Df น้อยก็ยิ่งดี ค่า Df ของ FR-4 ธรรมดาจะอยู่ที่ประมาณ 0.02 ในขณะที่ Df ของวัสดุความเร็วสูงความถี่สูง (เช่น Rogers RO4350B) อาจมีค่าต่ำถึง 0.0037 หรือต่ำกว่านั้นก็ได้ ยิ่ง Df มีค่าน้อย ความร้อนของสัญญาณและการลดทอนที่เกิดจากตัววัสดุก็จะยิ่งน้อยลงเท่านั้น
3. อิมพีแดนซ์ลักษณะเฉพาะ (Z0): อิมพีแดนซ์ลักษณะเฉพาะของ "บัตรประจำตัว" ของสายส่งคืออัตราส่วนของแรงดันไฟฟ้าขณะนั้นต่อกระแสไฟฟ้าขณะนั้นที่พบเมื่อสัญญาณแพร่กระจายบนสายส่ง โดยวัดเป็นโอห์ม (Ω) ไม่ใช่ตัวต้านทานกระแสตรงธรรมดา แต่เป็นคุณลักษณะที่ครอบคลุมซึ่งกำหนดโดยความต้านทานแบบกระจาย (R) ตัวเหนี่ยวนำ (L) สื่อกระแสไฟฟ้า (G) และความจุ (C) ของสายส่ง ในสภาพแวดล้อมความถี่สูง ลักษณะเฉพาะอิมพีแดนซ์สามารถทำให้ง่ายขึ้นโดยประมาณเป็น Z0=√ (L/C)
· นัยสำคัญเชิงตัวเลข: ในการออกแบบ PCB การควบคุมอิมพีแดนซ์ทั่วไปสำหรับสายสัญญาณปลายเดี่ยวคือ 50 Ω หรือ 75 Ω ในขณะที่สัญญาณดิฟเฟอเรนเชียลมักจะอยู่ที่ 90 Ω หรือ 100 Ω การรักษาความต่อเนื่องของอิมพีแดนซ์ (เช่น การจับคู่อิมพีแดนซ์) เป็นกุญแจสำคัญในการป้องกันการสะท้อนของสัญญาณ
4. การสูญเสียการแทรก (IL): "ค่าผ่านทาง" ของสัญญาณ การสูญเสียการแทรกหมายถึงระดับของการลดทอนของกำลังเอาต์พุตที่สัมพันธ์กับกำลังอินพุตหลังจากที่สัญญาณผ่านสายส่ง โดยทั่วไปจะแสดงเป็นเดซิเบล (dB) เป็นตัวบ่งชี้ประสิทธิภาพขั้นสุดท้ายด้วยกล้องจุลทรรศน์ซึ่งสะท้อนถึง "ต้นทุน" โดยตรงของสัญญาณที่เกิดขึ้นบนเส้นทางการส่งสัญญาณ คำจำกัดความทางคณิตศาสตร์ของมันคือ S21 = -10 * log(Po/Pi) โดยที่ Pi คือกำลังไฟฟ้าเข้า และ Po คือกำลังไฟฟ้าเอาท์พุต
· นัยสำคัญเชิงตัวเลข: ยิ่งค่าสัมบูรณ์ของการสูญเสียการแทรกมีค่าน้อยเท่าใดก็ยิ่งดีเท่านั้น (เช่น ค่า dB ยิ่งเข้าใกล้ 0 มากขึ้น) ตัวอย่างเช่น การสูญเสียการแทรกที่ -3dB หมายความว่ากำลังสัญญาณหายไปครึ่งหนึ่ง ในการทดสอบภาคปฏิบัติ หน่วยของการสูญเสียการแทรกมักจะเป็น db/inch ทำไมจึงเป็นเช่นนี้? ในการใช้งานทางวิศวกรรม สำหรับการวัดที่เป็นมาตรฐาน การสูญเสียการแทรกมักจะมาพร้อมกับหน่วยความยาว (เช่น dB/นิ้ว หรือ dB/ซม.) แต่ในคำจำกัดความทางทฤษฎีและงบประมาณในการเชื่อมโยงระบบ ค่านี้จะเป็นค่า dB ล้วนๆ
· เหตุใดจึงมักเขียนเป็น dB/inch (หรือ dB/cm): "เงื่อนไขเฉพาะ" ในคำจำกัดความ สาระสำคัญของการสูญเสียการแทรกคืออัตราส่วนการลดทอนของกำลังขับที่สัมพันธ์กับกำลังไฟฟ้าเข้า เนื่องจากยิ่งสัญญาณเดินทางบนสายส่งนานเท่าใด การลดทอนก็จะยิ่งมากขึ้นเท่านั้น จึงไม่มีความหมายที่จะพูดว่า "การสูญเสียการแทรกคือ 3dB" - จะต้องระบุความยาวของสายส่งที่วัด ดังนั้น เพื่อให้ประสิทธิภาพของวัสดุในแผ่นข้อมูลเป็นมาตรฐาน ผู้ผลิตจึงมักจะทำให้การสูญเสียการแทรกเป็นค่าความยาวหน่วยเป็นปกติ โดยมีหน่วยทั่วไปได้แก่ · dB/inch: นิ้ว ซึ่งใช้กันทั่วไปโดยผู้ผลิตแผ่นงานในอเมริกา (เช่น Rogers และ Isola) · dB/cm: เซนติเมตร ซึ่งใช้กันทั่วไปโดยผู้ผลิตในยุโรปและเอเชีย · dB/m: เมตร ส่วนใหญ่จะใช้เพื่ออธิบายสายเคเบิล RF ที่มีการสูญเสียต่ำมาก · เหตุใดจึงเกิดความสับสน: บริบทของทั้งสองนิพจน์ · บริบทคุณสมบัติของวัสดุ (ความยาวหน่วย dB): เมื่อเราเลือกวัสดุ การกล่าวว่า "การสูญเสียการแทรกของวัสดุ A คือ 0.7dB/นิ้ว @ 10GHz" หมายถึงการลดทอน 0.7dB ต่อนิ้วของสายส่งที่ความถี่ 10GHz สิ่งนี้สะท้อนถึงลักษณะการสูญเสียของวัสดุเอง · บริบทการเชื่อมโยงระบบ (เดซิเบลรวม): เมื่อนักออกแบบคำนวณการลดทอนทั้งหมดของสายส่งจริง (เช่น เส้นสายยาว 10 นิ้ว) พวกเขาคำนวณเป็น 0.7dB/นิ้ว × 10 นิ้ว = 7dB (บวกกับการสูญเสียอื่นๆ เช่น ขั้วต่อ) ณ จุดนี้ "การสูญเสียการแทรกทั้งหมดของลิงก์นี้คือ 7dB" จะไม่รวมหน่วยความยาว เนื่องจากเป็นค่าการลดทอนรวมของเส้นทางเฉพาะ · การแปลงและคำอธิบายเสริม · สองหน่วยนี้สามารถแปลงได้: · 1 dB/นิ้ว µs 0.394 dB/ซม. · 1 dB/ซม. µs 2.54 dB/นิ้ว สำหรับซอฟต์แวร์จำลองหรือการทดสอบเครื่องวิเคราะห์เครือข่าย แม้ว่าหน่วยแกนโค้งที่แสดงสุดท้ายจะเป็น dB เมื่อตั้งค่าความยาวของอุปกรณ์ที่ทดสอบ เครื่องมือได้พิจารณาปัจจัยความยาวผ่านเทคนิคต่างๆ เช่น "การดีเอ็มเบดดิ้ง" แล้ว และผลลัพธ์ที่คำนวณได้จริง ๆ แล้วคือค่า dB ที่สูญเสียทั้งหมดภายใต้ค่าเฉพาะ เส้นทาง
เมื่อพูดถึง "การสูญเสียการแทรกของวัสดุ" มักจะมาพร้อมกับหน่วยความยาว (เช่น dB/นิ้ว) เพื่อความสะดวกในการเปรียบเทียบข้อดีของวัสดุต่างๆ เมื่อกล่าวถึง "การสูญเสียการแทรกของช่องสัญญาณเฉพาะ" โดยปกติจะเขียนเป็น dB ซึ่งบ่งบอกถึงการลดทอนทั้งหมดของเส้นทางนั้น