相对介电常数受什么影响相对介电常数常数包括哪些数

引言：传输介质的选择，无论是PCB材料还是电缆类型，都会对系统性能产生很大的影响。尽管任何传输介质在GHz频率都是有损的，但本章提供了一些管理信号衰减的指南，以便为给定的应用获得最佳性能。
1.信号实际频率信号边缘包含称为谐波的频率分量。每个谐波都是信号频率的倍数，其有效最高频率可以由式1表示：
（式1）
其中，单位为GHz，为信号上升时间或下降时间中的较小者。通常高速或者低速信号的划分，可以参照式1 。即高速信号不一定都是频率很高的信号，主要和信号中包含的有效最高频率有关。
由于PCB中的介电损耗与频率有关，因此必须确定所关注的带宽以找到PCB的总损耗。频率必须从工作频率开始，并延伸至等式1中的频率。例如，具有10ps上升时间的10Gb/s信号具有10Ghz到35Ghz的带宽。
2.介质损耗电介质中损耗的信号能量是材料特性的函数。用来描述材料的一些参数包括相对介电常数（也称为介电常数）和损耗角正切。集肤效应也是在GHz范围内能量损失的一个因素。

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图1、不同材料的损耗曲线
2.1 相对介电常数相对介电常数是测量介质对导体电容的影响。相对介电常数越高，信号在PCB走线传播的速度越慢，给定走线几何结构的阻抗越低。低常数几乎总是首选。
相对介电常数
尽管在所有材料中，相对介电常数随频率变化，但FR4的εr随频率变化很大。由于εr直接影响阻抗，FR4走线阻抗值随频率的增加而扩展。虽然在1.125 Gb/s的速度下，这个扩展可能不重要，但在10Gb/s的速度下，它可能是一个问题。
损耗角正切
损耗角正切是一种测量电介质沿传输线传播时，有多少电磁能量损失到电介质上的方法。较低的损耗角正切允许更多的能量以较少的信号衰减到达目的地。
随着频率的增加，能量损失的幅度也随之增加，导致信号边缘的最高频率谐波受到最大的衰减。这表现为上升和下降时间的下降。
集肤效应和电阻损耗
集肤效应是电流优先在导体外表面附近流动的趋势。这主要是由于高频信号中的磁场推动电流沿垂直方向流向导体的周长。
随着表面附近电流密度的增加，电流流过的有效横截面积减小。由于导体的有效横截面积现在变小，所以电阻增大。因为这种趋肤效应随着频率的增加而更加明显，电阻损耗随着信号速率的增加而增加。
电阻损耗对信号的影响与损耗角正切相似。由于高次谐波的振幅减小，上升和下降时间增加，最高频率的谐波受到的影响最大。在10Gb/s信号的情况下，使用FR4时，即使基频也会有一定程度的衰减。
例如，在1 MHz下8 mil宽的走线的电阻约为0.06Ω/英寸，而在10Gb/s下相同的走线的电阻略高于1Ω/英寸。给定一个10英寸的走线和1.6V的电压摆幅，160mV的电压降是由基频的电阻损耗引起的，不包括谐波和介电损耗中的损耗。

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图2、介电常数、板材及应用频率范围
选择基底材料
材料选择的目标是优化特定应用的性能和成本。

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图3、PCB原材料
FR4是最常见的PCB基板材料，通过仔细的系统设计提供了良好的性能。对于较长的走线长度或高信号速率，必须使用具有较低介电损耗的更昂贵的衬底材料。
基板，例如，Nelco，具有较低的介电损耗，并且在GHz范围内表现出显著较少的衰减，因此增加了PCB的最大带宽。在3.125Gb/s时，与FR4相比，Nelco的优点是增加了电压摆幅裕度和更长的Z走线长度。在10Gb/s的速度下，除非高速走线保持很短，否则像Nelco这样的低损耗电介质是必要的。
基板材料的选择取决于高速走线的总长度和信号速率。
假设分析可以在HSPICE模拟中进行，以评估各种基底材料。通过改变PCB基板材料的介电常数、损耗角正切等参数。对眼图质量的影响可以仿真，以证明使用更高成本的材料是合理的。还可以探讨铜板厚度等其他参数的影响。
3.走线3.1 走线几何对于任何走线，其特性阻抗取决于其层叠几何结构以及走线几何结构。在差分走线的情况下，紧耦合对之间的电感和电容耦合也决定了走线的特性阻抗。
走线的阻抗由其与附近导体的电感和电容耦合决定。例如，这些导体可以是平面、过孔、焊盘、连接器和其他走线，包括差分对中的其他紧密耦合走线。基板特性、导体特性、磁链面积和到附近导体的距离决定了耦合量，从而决定了对最终阻抗的贡献。

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