高频PCB材料工程应用经验分享

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：

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：

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：

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：

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：

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：

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：

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：

图6：Rogers RT/Duriod 5880板材建模

改进电路的仿真结果：

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：

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。