高频PCB材料工程应用经验分享

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高频印制板材料在电子工程设计中的应用十分广泛,我们需要根据电路的实际应用把握重要特性,了解这些特性对电路的影响,才能不断的完善设计,做出性能更强大的产品。
 
电路设计与分析
 
根据实际工程的电路设计与分析,跟大家分享一些高频板材工程应用的实践经验。在某产品中使用FR-4板材设计了一个Ku波段耦合谐振微带电路,电路建模如下图所示:
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图1:Ku波段耦合谐振微带电路
 
对电路进行仿真测试,结果如下图所示:
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图2 :电路仿真测试结果
 
电路在实验过程中遇到了两个问题:
1)电路一致性不好,小批试制时出现了部分电路通道频率偏差较大的现象,影响链路的整体工作性能。
2)电路差损较大,此处损失的增益需要由链路中的其他子电路进行补偿,额外增加了其他电路的设计压力。
 
调试只能使电路的性能有略微提高,并没有从根本上彻底解决问题。为了提高整个高频链路的整体性能,需要对此电路进行改进设计。
 
通过对整个设计流程的回顾,我们回到了板材建模的阶段对板材进行详细的分析。查阅资料可知,板材的性能指标包括有介电常数ξr、介质损耗tanδ、表面光洁度、表面导体导电率、抗剥强度、热胀系数、抗弯强度等。其中介电常数ξr、介质损耗tanδ为高频板材的主要参数。
 
FR-4板材模型如下:
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图3:FR-4板材模型
 
从板材中提取FR-4的主要技术参数:介电常数ξr=4.6、介质损耗tanδ=0.01,查询FR-4板材的数据手册,技术参数如下表所示:
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FR-4介电常数参数波动范围是4.2~5.4,很有可能对耦合谐振电路的性能造成影响,导致电路一致性不好;同时介质损耗较大,对电路差损有影响。我们通过实验的方式,来进一步验证分析。
分别设置FR-4介电常数的参数为4.2、4.6、5.4进行仿真实验,实验结果如下:
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图4:FR-4介电常数波动对电路性能的影响
 
将FR-4的介质损耗由0.01改为0.001进行仿真实验,实验结果如下:
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图5:介质损耗对电路性能的影响
 
实验结果证实:介电常数的波动会影响耦合谐振电路的性能,造成频偏,导致电路一致性不好;介质损耗对电路的插入损耗有较大的影响。
 
要解决上述问题,需要选择介电常数ξr精确度高、一致性好、介质损耗小的高频板材进行电路设计。查阅主流板材选型指南,Rogers RT/Duroid 5880符合使用要求,其主要指标如下:
 
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采用Rogers RT/Duriod 5880进行设计,分析改进方案的可行性。重新进行板材建模:
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图6:Rogers RT/Duriod 5880板材建模
 
改进电路的仿真结果:
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图7:改进电路仿真测试结果
 
改变5880介电常数的参数进行仿真实验,实验结果如下图:
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图8:5880介电常数波动对电路的影响
 
实验结果表明,使用5880射频板材进行电路改进设计,电路插损得到了大幅度的优化,频偏的问题也得到了很好的解决。
 
总结
 
FR-4板材有着价格便宜,采购周期短等优势,在高频高速电路中得到广泛应用,但不同厂商以及不同批次生产的FR-4板材掺杂不同,其介电常数不太稳定,一致性难控制,且介质损耗较大,所以一般应用在频率1GHz以下的电路中。对于工作频率较高或敏感电路,我们应根据实际情况,选取性能指标更加优良的板材进行设计,这样才能满足产品研发及生产的需求。