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线路板基材是决定延时线的稳定性的关键

  在PCB线路板中,延时线是模拟电路和数字电路中用于调节信号的非常有用的结构元件。高频高速延时线的主要特征包括工作带宽、延迟时间、工作带宽内的插入损耗、回波损耗、驻波比,上升时间以及延迟稳定性。延时线可以通过不同的电路元件来实现,比如同轴线、体声波元件、声表面波元件等,但PCB材料的选择会对延时线的最终性能产生重大的影响。整个PCB中介点常数的一致性以及PCB厚度的一致性会极大影响延迟线的性能均一性和预期效果。很简单,不管对于带状线还是微带线电路,PCB线路板中介电常数Dk的一致性越好,材料厚度的一致性越好,该PCB中延时线的稳定性就越好。


  延时线在电路中的作用主要是充当电磁信号传输媒介。当传输媒介是空气时,电磁信号的传播速度等于光速30万千米/秒。考虑到设计人员通常使用的PCB尺寸,光速可以用11。8英寸/纳秒或300毫米/纳秒来计算。当电磁信号穿过其他介质传播时,比如PCB,会因为PCB介电常数等材料属性的作用使得信号的传播速率变慢。所有电路材料的介电常数都大于1,而电磁波在电路材料中传播时,更高的介电常数意味着更大的电荷容量和更低的传播速率。

  对于PCB上的信号线,电磁信号的传播速率等于光速除以介电常数的平方根。真空和空气的介电常数Dk都认为是1。因此当空气作为传播媒介时,电磁信号的传播速率不变。而对于介电常数是4的FR-4材料,当电磁信号在当中传播时,传播速率等于光速除以介电常数的平方根,即除以2。因此,信号在FR-4材料中的传播速度是空气或真空中传播速度的一半。

  对于射频微带延时线,电磁场穿过金属导体以及介电材料组合体,包括电路导体下方的PCB介电材料和电路上方的空气。对于射频带状延时线,电磁场会穿过电路上方空气和下方的PCB介电材料,对于使用过孔连接不同电路层的多层板电路更是如此。共面波导也通常用于射频微波延时线,介质材料厚度和铜导线厚度容差等PCB材料特性差异都会对延时线的性能产生重大影响。

  当然,对某一种特定的PCB材料,电路的加工工艺和组装技术同延时线的性能一致性有密切关系。理想情况下,即使PCB材料的厚度和介电常数的偏差非常小且一致性很好,不同PCB材料的特性差异也会转化为延时线性能差异。诸如电路连结点等因素造成的不期望的电容效应应该最小化,因为电容的增加会导致延迟时间的增加。而为了保证良好的电气性能稳定性,PCB延时线都要设计大面积的地平面。

  在实际的延时线电路设计中,寻找合适的PCB材料必须综合权衡多个因素。若单从性能优良的角度考虑,世强代理的罗杰斯公司的RT5880电路材料基于PTFE且通过玻璃微光纤固化的材料。RT5880电路材料具有极地的介电常数和极小的容差,Dk是2.2,容差是0.02。同时,它的损耗因子也很小,具有多种层压板的尺寸和厚度(最薄可以到0.005英寸)。使用RT5880设计延时线时,可严格控制厚度以降低对延时线的影响。当然,优良的性能往往意味更高的成本。具有低Dk值,超低Dk容差的PCB材料一定程度上比其他材料价格更高。这些材料通常用于最具挑战性的电路设备,比如军用电子设备。

  综合考虑材料的性能和成本,罗杰斯公司的RO3003材料也是基于PTFE且经过陶瓷加固。RO3003的介电常数是3.00,容差是0.04,它的损耗因子也很小且易于准确控制厚度以降低对延时线性能的影响。罗杰斯公司对层压板对延时线时一种性价比很高的PCB材料,在10GHz时,RO4835的Z轴介电常数是3.48,容差是0.05。除了能与无铅工艺兼容外,该材料的厚度偏差也非常小,可以使用FR-4材料标准工艺加工以降低产品成本。为了满足不同的设计需求,该材料的适用厚度和铜箔厚度的范围都很大,其中厚度最薄可以为0.0066英寸。

  为了实现延时线的设计目标,除了PCB材料的选择外,还需要考虑诸多因素,射频微波电路的每个接口都可能导致延时线延迟时间的增加。对于使用同轴连接器进行信号传输的PCB电路,电路板与连接器之间的接口会引入延迟时间的变化。这些接口或者信号过渡点应尽可能保持两端一致以降低电路延迟时间的变化。RO4835层压板材料能提供极小的Dk容差,精确的厚度控制以及低损耗的性能水平,满足延时线性能一致性要求。

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