הקבוע הדיאלקטרי הוא אינדיקטור מפתח שלתדר גבוה -לוחות PCB, שיש להם השפעה מכריעה על ביצועי העברת האות.
מושגים בסיסיים של קבוע דיאלקטרי
קבוע דיאלקטרי, הידוע גם בשם Permittivity, הוא כמות פיזית מרכזית המודדת את יכולתם של חומרים דיאלקטריים לאחסן אנרגיה חשמלית תחת פעולה של שדה חשמלי. בלוחות מעגלים מודפסים בתדר-, הקבוע הדיאלקטרי משקף את מאפייני התגובה של החומר לשדות חשמליים. כאשר מוחל שדה חשמלי על לוח ה- PCB, הקיטוב של הדיאלקטרי מייצר מטענים המושרים. ככל שהקבוע הדיאלקטרי גבוה יותר, החומר מאחסן יותר אנרגיה, ומהירות התפשטות איטית יותר של השדה החשמלי בו. מנקודת מבט מיקרוסקופית, אטומים או מולקולות בדיאלקטריקה מושפעים משדה חשמלי, וגורמים לשינויים בהפצת המטען ויוצרים דיפולות חשמליות הנוטות להתיישר עם כיוון השדה החשמלי, ובכך משפיעות על השדה החשמלי. לחומרים שונים יכולות קיטוב שונות כתוצאה מהבדלים במבנה האטומי והרכב מולקולרי, וכתוצאה מכך קבועים דיאלקטריים משתנים. לדוגמה, הקבוע הדיאלקטרי של האוויר קרוב ל -1, ואילו הקבוע הדיאלקטרי של לוחות PCB תדרים גבוהים- בדרך כלל בין 2-10.
גורמים המשפיעים על הקבוע הדיאלקטרי של לוחות PCB תדרים-
הרכב כימי של מתכת
למערכת השרף יש השפעה משמעותית על הקבוע הדיאלקטרי. הקבוע הדיאלקטרי של שרף פוליטטראפלואורואתילן הוא בערך 2.2, המתאים לתרחישים הדורשים מהירות העברת אות גבוהה; הקבוע הדיאלקטרי של שרף אתר תרמוסטיזציה של פוליפנילן הוא בין 3.0 - 3.8; מערכת שרף הפחמימנים נעה בין 2.5 ל- 3.5; שרף אפוקסי רגיל אינו מתאים ליישומים גבוהים - יישומים במהירות גבוהה בגלל קבוצות הקוטב שלו והקבוע הדיאלקטרי של 4-5. בנוסף, הוספת חומרי מילוי קבועים דיאלקטריים נמוכים כמו קרמיקה יכולה לשנות את חלוקת השדה החשמלי הפנימי של הלוח ולהפחית את הקבוע הדיאלקטרי המקביל. בד סיבי זכוכית, כחומר חיזוק, יש קבוע דיאלקטרי של 6-7. תוכן והפצה לא אחידים של בד סיבי זכוכית יכולים לגרום להבדלים אזוריים בקבוע הדיאלקטרי של הלוח, ולהשפיע על העברת האות.
גורמים סביבתיים
עלייה בטמפרטורה תעצים את התנועה התרמית של מולקולות חומר, תשנה אינטראקציות בין -מולקולריות ותגדיל את הקבוע הדיאלקטרי. בדומה לגיליונות FR-4 קונבנציונליים, הקבוע הדיאלקטרי יכול להשתנות עד 20% בין 0-70 מעלות, מה שמשפיע על עיכוב האות. הלחות היא קריטית באותה מידה, עם קבוע דיאלקטרי מים של עד 70. לאחר שהלוח סופג מים, חלוקת השדה החשמלי משתנה והקבוע הדיאלקטרי עולה. בסביבות לחות, איכות העברת האות מושפעת בקלות.
תֶדֶר
תחת שדות חשמליים תדרים גבוהים-, הקיטוב של הדיאלקטרי אינו יכול לעמוד בקצב השינויים בשדה החשמלי, מידת הקיטוב נחלשת והקבוע הדיאלקטרי יורד. לוקח רגילFR-4לדוגמא, הקבוע הדיאלקטרי הוא בערך 4.7 בגובה 1 מגה -הרץ, יורד ל -4.19 בגיגהרץ 1, והשינוי מאט מעל ג'יגהרץ 1. תדר גבוה וגבוה - לוחות PCB מהירות צריכים לשמור על קבוע דיאלקטרי יציב על טווח תדרים רחב כדי להבטיח ביצועי העברת האות.
ההשפעה של קבוע דיאלקטרי על העברת אות PCB בתדירות גבוהה
מהירות העברת אות
על פי התיאוריה האלקטרומגנטית, מהירות ההולכה של האותות בגיליון היא ביחס הפוך לשורש הריבועי של הקבוע הדיאלקטרי. צלחות קבועות דיאלקטריות נמוכות יכולות לשפר משמעותית את מהירות העברת האות, להפחית את החביון ולענות על צרכי התרחישים כגון תקשורת 5G והעברת נתוני מהירות-. אם מעגל ה- RF של תחנות בסיס 5G משתמש בגיליונות פוליטטראפלואורו -אתילן דיאלקטריים נמוכים, הוא יכול לשפר ביעילות את יעילות העברת האות.
עכבה אופיינית
עכבה אופיינית היא פרמטר חשוב בתכנון PCB תדר- גבוה, וחישובו קשור לקבוע הדיאלקטרי. סטייה בקבוע דיאלקטרי עלולה לגרום לעכבה האופיינית לסטות מערך העיצוב, מה שמוביל להשתקפות האות והנחתה. במעגלי RF, חוסר התאמה של עכבה יכול לייצר גלים עומדים ולהפחית את ביצועי המעגל, ולכן שליטה מדויקת בקבוע הדיאלקטרי היא קריטית.
הנחתה לאותות
חומרים קבועים דיאלקטריים גבוהים הם בעלי דרגה גבוהה של קיטוב, אינטראקציות בין -מולקולריות חזקות, והם מועדים לספיגת אנרגיית האות ולהמיר אותה לאנרגיה תרמית, וכתוצאה מכך נחתת האות. בתוך ארוך - מרחק גבוה - העברת אות מהירות, כגון גבוה - לוחות גב מהירות וקווי חיבור מרכז נתונים, בחירת לוחות אובדן דיאלקטרי נמוך ונמוכים יכולים להפחית ביעילות את ההנחתה של האות ולהבטיח את איכות ההעברה.
שיטת מדידה לקבוע דיאלקטרי של לוח PCB גבוה -
שיטת קו העברה
בדרך כלל משתמשים בשיטת קו ההולכה, כולל שיטת קו מיקרו -סטריפ ושיטת קו הרצועה. שיטת קו ה- MicroStrip משתמשת בלוח כמצע דיאלקטרי, מודדת פרמטרי העברה דרך מנתח רשת, וממליצה באופן הפוך קבועים חשמליים. זוהי שיטה סטנדרטית בתעשייה העוקבת אחר המפרטים הרלוונטיים של מדריך השיטות הבינלאומי של התאחדות האלקטרוניקה של התעשייה. כלל קו הרצועה משתמש בתהודה קו רצועה כדי למדוד את התדר המהדהד ואת גורם האיכות, ומשלב חישובי תיאורטיים או סימולציה כדי לחשב את הקבוע הדיאלקטרי המורכב. זה מתאים למדידת חומרים קבועים דיאלקטריים לא ידועים
שיטת תהודה
שיטת התהודה כוללת הצבת מדגם העשוי מתכת גיליון לחלל תהודה, וחישוב הקבוע הדיאלקטרי על סמך השינויים בתדירות התהודה ובגורם האיכותי של החלל לפני ההכנסה ואחריו. לשיטה זו יש דיוק גבוה, אך דורש ציוד קפדני והכנת מדגם, והיא משמשת לעתים קרובות למדידות מעבדה מדויקות.
דרישות לקבוע דיאלקטרי של לוחות PCB תדרים גבוהים - בתרחישי יישומים שונים
תחום תקשורת 5G
מודולים משתמשים לרוב לוחות שרף פחמימנים או לוחות פוליטטראפלואורואתילן עם קבוע דיאלקטרי של 2.5-3.5
לאותות 5G יש קצב תדירות גבוהה וקצב העברה מהיר, הדורשים יציבות דיאלקטרית נמוכה ותדירות טובה של הלוח, כמו גם התנגדות סביבתית טובה. קדמת RF - סוף
שדה אלקטרוניקה לרכב
מערכות רדאר ורשת רכב רכב דורשות העברת אות דיוק גבוהה {}}. ביישומי מכ"ם גל מילימטר, גיליונות חומרי תרמוסציה מלאים קרמיקה עם קבוע דיאלקטרי של 3-4 ויציבות חזקה נבחרים כדי להבטיח העברת אות מדויקת בסביבות מורכבות.
שדה חלל
ציוד אלקטרוני אווירי פונה לסביבות קיצוניות הדורשות קבוע דיאלקטרי יציב של הלוח על טווח טמפרטורות רחב, תוך עמידה בדרישות התנגדות קלות וקרינה. מצעי פולימיד נמצאים בשימוש נרחב בגלל התנגדות הטמפרטורה הגבוהה שלהם וקבוע דיאלקטרי יציב. הקבוע הדיאלקטרי של לוח PCB גבוה - עם פיתוח 5G, אלקטרוניקה לרכב, תעופה וחלל ותחומים אחרים, המחקר והפיתוח של לוחות PCB עם יציבות קבועה דיאלקטרית נמוכה ויציבות גבוהה הפכו למגמה, שתניע טכנולוגיה אלקטרונית לגבהים חדשים.