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技術文章
介電常數測量的微帶短路線法及實現
2017-04-01
介電常數測量的微帶短路線法及實現

介電常數測量的微帶短路線法及實現

 

  闡述了用微帶短路線法,通過矢量網絡分析儀量測短路微帶線的反射系數,進行印刷電路板板材相對介電常數計算的方法。在給定的板材尺寸參數及材料特性下,通過ADS軟體中進行的理論分析以及ANSOFT公司HFSS軟體中進行的三維建模仿真分析,計算得出了不同頻率點對應的相對介電常數值。同時分析了方案的誤差對于阻抗設計的影響,進而驗證了測量方案的可行性。考慮到板材介質的高頻衰減,測量方法適用范圍從100MHz~5GHz。

  1950年Barrett R和Cohn S提出的Stripline和1960年ITT Laboratories提出的Microstrip Line奠定了現代PCB工藝和發展的基礎,50年時間PCB板的設計已經由*初的單雙面板發展到現今的幾十層的巨型計算機功能板,從*初的通孔工藝發展到現今的埋盲孔的HDI工藝,工作信號頻率從*初的K級發展到現在的G級,可以說傳輸線理論的具體應用達到了一個相當高的境界。近年來手機、個人移動通信需求的蓬勃發展,尋求更高效能及更高頻率的印刷電路板(PCB板)已經成為了一個重要的課題。

  市場上產品競爭的趨勢總是要以更加低廉的價格提供給消費者更好的產品,所以許多公司在追逐更高速、更微型的產品的過程中,為了提供自身產品的市場占有率、降低產品的價格,將目光更多的投到了FR4上。FR4是目前印刷電路板工藝中*常選用的介質材料,它不僅價格便宜,而且更加具有良好的加工特性,可以使用在1MHz至1GHz乃至3GHz以上范圍的電子產品中。但是有個問題,印刷電路板的介質材料特性會因為制作程序以及制作環境的不同而發生改變。特別的是,電路板的介質材料的特性表現對于高頻或是高速電路的特性影響很大,其中以介電常數εr對電路的功能和性能影響*大。介電常數會影響電路的特性阻抗和信號傳輸的相位速度,但是目前矢量網絡分析儀只能測量出印刷電路板的S參數,并不提供一鍵算出介質介電常數的功能。所以提出一個簡便快速的得到介電常數εr的方法對于高速PCB設計人員以及板廠工程人員都具有非常重要的意義。

  該文首先在Agilent ADS軟件中通過對短路微帶線的理論仿真驗證了短路線量測方法的可行性及其在實際量測中的問題;隨后在Ansoft的HFSS中進行了50Ω阻抗同軸連接器和10cm長度的50Ω短路微帶線的三維模型建立,通過對該三維模型的仿真我們可以更加實際的了解這種方法,討論這種方法得到的相對介電常數量測誤差對于阻抗控制精度的影響。本論文設計的量測環境為1.0mm厚度的FR4基板,銅箔厚度為0.5oz,50Ω同軸連接器及50Ω微帶線的參數都可以在Agilent ADS中用Linecal得到。

2、短路微帶線理論及其在Agilent ADS中的驗證

  傳輸線模型如圖1所示。

傳輸線模型

圖1 傳輸線模型

結論

  本文從Agilent ADS中對微帶線短路發的討論出發,通過在三維仿真工具Ansoft HFSS中的實際建模和量測說明了本方法的可行性。*后討論了微帶線短路法對于阻抗控制精度的影響。一定要注意,試驗中必須要考慮端口連接器對于實際量測的影響,否則結果會出現重大偏差。


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