射频板材选材和无源互调

随着无线通讯和宽带网络的发展，PCB已不再简简单单是在一些绝缘的基材上面布上金属导线，实现互联。在许许多多的情况下，基材和金属导体已经成为功能元件的一部分。尤其是在射频应用中，元件与基材相互作用，从而，PCB的设计和制造越来越对产品的功能产生至关重要的影响。如左图1所示的微波板的一个典型部分，上面的导体都是一个个元件。

我们PCB制造者也更多的介入与设计相关的东西，尤其是到高频，高速信号传输中更是如此。同样设计者也必须对PCB制造工艺有深入的了解，才能综合生产出合格的，高性能的PCB。

我们从这期开始介绍一些大家经常接触的参数，由浅入深做一些技术探讨，希望能够加深设计与制造的沟通和交流。

1.介电常数

介电常数（Dk, ε，Er）决定了电信号在该介质中传播的速度。电信号传播的速度与介电常数平方根成反比。介电常数越低，信号传送速度越快。我们作个形象的比喻，就好想你在海滩上跑步，水深淹没了你的脚踝，水的粘度就是介电常数，水越粘，代表介电常数越高，你跑的也越慢。

介电常数并不是非常容易测量或定义，它不仅与介质的本身特性有关，还与测试方法，测试频率，测试前以及测试中的材料状态有关。介电常数也会随温度的变化而变化，有些特别的材料在开发中就考虑到温度的因素。湿度也是影响介电常数的一个重要因素，因为水的介电常数是70，很少的水分，会引起显著的变化。

以下是一些典型材料的介电常数(在1Mhz下)：

可以看出，对于高速、高频应用而言，最理想的材料是由铜箔包裹的空气介质，厚度允差在＋/－0.00001"。作为材料开发，大家都在朝这个方向努力，如Arlon 专利开发的Foamclad非常适合基站天线的应用。但不是所有的设计都是介电常数越小越好，它往往根据一些实际的设计而定，一些要求体积很小的线路,常常需要高介电常数的材料，如Arlon的AR1000 用在小型化线路设计。有些设计如功放，常用介电常数2.55(如Arlon Diclad527, AD255等)，或者介电常数3.5(如AD350,25N/FR等)。也有采用4.5介电常数的，(如AD450)主要从FR-4设计改为高频应用,而希望沿用以前设计。

介电常数除了直接影响信号的传输速度以外，还在很大程度上决定特性阻抗,在不同的部分使得特性阻抗匹配在微波通信里尤为重要.如果出现阻抗不匹配的现象,阻抗不匹配也称为VSWR (驻波比)。

CTEr:由于介电常数随温度变化，而微波应用的材料又常常在室外，甚至太空环境，所以CTEr(Coefficenc of Thermal of Er，介电常数随温度的变化系数)也是一个关键的参数。一些陶瓷粉填充的PTFE能够有非常好的特性，如CLTE。

2.损耗因子（Loss, loss tangent, Df, Dissipation factor）

除了介电常数，损耗因子是影响材料电气特性的重要参数。介电损耗也称损耗正切，损耗因子等，它是指信号在介质中丢失，也可以说是能量的损耗。这是因为高频信号(它们不停地在正负相位间变换)通过介质层时，介质中的分子试图根据这些电磁信号进行定向，虽然实际上，由于这些分子是交联的，不能真正定向。但频率的变化，使得分子不停地运动，产生大量的热，造成了能量的损耗。而有些材料，如PTFE的分子是非极性的，所以不会受电磁场的影响变化，损耗也就较小。同样，损耗因子也跟频率和测试方法有关，一般规律是在频率越高，损耗越大。

最直观的例子是传输中电能的消耗。如果电路设计损耗小。电池寿命可以明显增加。在接收信号时，采用的损耗的材料，天线对信号的敏感度增加，信号更清晰。

常用的FR4环氧树脂(Dk4.5)极性相对较强，在1GHz下，损耗约0.025,而PTFE基材(Dk2.17)在此条件下的损耗是0.0009。石英填充的聚酰亚胺与玻璃填充的聚酰亚胺相比，不仅介电常数低，而且损耗也较低，,因为硅的含量较纯。

下图为PTFE 的分子结构图，我们可以看到，它的结构非常对称，C-F键结合紧密，无极性基团。故随电磁场变化而摇摆的可能性很小，表现在电气特性上就是损耗小。

3. 热膨胀系数 (CTE)