近年來，隨著高頻電路的迅猛發展，人們對產品的便攜性和移動性需求日益增加，因此電路板小型化設計也得到了越來越多的關注。電路PCB材料的選擇通常從線路板材料的介電常數(Dk)開始考慮，位于線路板眾多參數考慮的最前面。采用慢波傳播結構的電路是一種電路小型化技術之一，但選擇Dk值較高的PCB材料是電路具有較小的尺寸的較為直接的方法。當然，在某些特定情況下，不能一味追求選擇高介電常數的線路板材料。實際設計中，既要能滿足電子電路的小型化尺寸，又能使線路板材料的Dk值不至于太高。

高頻印刷電路板（PCB）的物理尺寸通常與電路上傳播信號的波長有關，波長又會隨著信號頻率的增加而減小。表1快速比較了Dk值相對較低和較高的兩種PCB材料之間的差異。根據高頻材料的不同特性，這種比較在一定程度上或多或少可以幫助工程師快速篩選出大概滿足設計需求的線路板材料，這其實也具有重要意義。

表1. 線路板材料中高低Dk值的差異

以上述兩種不同類型的線路板材料為例，對于工作在相同頻率下的兩個射頻/微波電路，在Dk值較低的PCB材料上加工出來的電路會具有較長的波長。由于大多數射頻/微波電路設計都基于波長的尺寸特征，因此具有較高Dk值的線路板材料在給定頻率下會產生較小的波長，從而導致加工出來的PCB具有較小的電路尺寸。

具有不同Dk值的電路基板材料之間的相速度差異也會成為選擇線路板材料的考慮因素之一，特別是在實現的電路功能與相速度、群延時或傳播延遲等參數十分敏感時。Dk值較低的線路板材料比Dk值較高的線路板材料具有更快的相速度。對于時延精確度十分敏感的電路（例如延遲線和高速數字電路），可能會受到具有不同相速度或傳播延遲的傳輸線的影響，對于此類電路，特別需要考慮所選擇線路板材料的Dk值大小。

通常情況下，線路板材料在三個維度(x，y，z)方向上的Dk值各不相同，并且這幾個值都會影響加工制作的電路的性能。但線路板材料通常是根據其z軸（厚度）方向上的Dk值作為典型值來進行相互比較的。線路板材料在x軸、y軸與z軸之間存在差異是很正常的現象，這種特性稱為線路板材料的各向異性。Dk值較高材料的各向異性通常大于Dk值較低的線路板材料的各向異性，這種差異的原因是由高頻線路板材料的制造方式造成的。盡管線路板材料在x、y平面、z軸上均具有不同的Dk值，但相對而言，x和y軸上的Dk值彼此更加接近。

x-y平面的Dk值和z軸Dk值之間的差異對于許多類型的高頻電路（例如單傳輸線或短截線）而言通常并不是那么重要，但它確實會影響某些具有耦合特性電路的性能。為了解決高各向異性給耦合電路帶來的影響，一些高Dk的線路板材料在設計時就已經考慮到這個影響因素，將材料的各向異性做了最小化設計（如表2中所示，與其它材料相比，表中TMM 10i和TMM 13i兩款線路板材料的x-y方向和z軸上Dk值已經十分接近了）。

表2. 高頻線路板材料各向異性的比較

線路板材料的Dk值同樣也會影響其它高頻方面的參數，包括輻射損耗、色散、耦合和插入損耗。其中，輻射損耗是由多方面因素造成的，特別是電路自身的設計及其工作頻率，高頻電路比低頻電路具有更大的輻射損耗。另外，基板材料的厚度也是輻射損耗影響因素之一。同樣一個電路，相比較薄的基板，在較厚基板上加工的電路會呈現出更大的輻射損耗。第三，線路板材料的Dk值也會對輻射損耗產生影響，Dk值較高材料設計的電路往往比Dk值較低的材料具有更低的輻射損耗。

眾所周知微帶傳輸線是色散的，而基于帶狀線的高頻電路傳輸線是非色散的。然而，線路板材料本身是具有色散性的，色散程度取決于線路板材料的Dk隨頻率變化的程度。通常，Dk值較高的線路板材料會比Dk值較低的線路板材料呈現出更大的色散變化。但是也有例外，必要時可以更改線路板材料的配方，以減少材料的色散。

不同介電常數電路的耦合特性差異，在耦合微帶線帶通濾波器中通常容易顯現出來。在帶通濾波器的不同諧振單元之間的耦合系數可以通過使用高介電常數的材料來增加耦合性。耦合微帶線濾波器諧振單元之間的是通過線路板材料x-y平面來進行耦合的，因此線路板材料的各向異性指標對于此類濾波器十分重要。具有較高Dk值的線路板材料可用于定向耦合器和其它需要較高耦合系數的電路。例如，由于電路信號層和接地層之間的耦合更緊密，從電路和電路材料上輻射出來的能量較少，從而，高Dk線路板材料可使微帶電路產生更強的耦合。

兩個相似的電路，分別加工在Dk值高低不同的兩種線路基板上，可以發現，在較高Dk線路板上加工的電路通常比較低Dk的線路基板具有更高的插入損耗。盡管材料本身不會直接引起插入損耗的差異，但是具有較高Dk值的線路板材料會使導波信號波長變小，電路特性也會變小。高Dk值會使信號導線變窄，與低Dk較寬的信號導體相比，較窄的信號導線將帶來更大的導體損耗。這說明在具有較高Dk值的線路板材料上加工電路時，電路的插入損耗通常高于低Dk值的線路板。

當嘗試利用高Dk線路板材料來實現電路的小型化設計時，工程師應該充分考慮Dk值變化給電路的射頻性能帶來的不同影響。

圖1. 不同Dk的耦合微帶線帶通濾波器尺寸

圖1是兩個不同Dk值的耦合微帶線帶通濾波器的示意圖。兩個帶通濾波器具有完全相同的響應特性，中心頻率為2.5 GHz，帶寬約為300 MHz，分別使用不同Dk值的PCB材料制作加工。可以看到，這里較高Dk線路板材料上濾波器的尺寸約為較低Dk線路板材料上濾波器尺寸的37％。使用高Dk值的線路板材料，每個濾波器單元導體寬度相對更窄，同樣其50歐姆的饋線的寬度也相對更窄。

每個濾波器諧振單元之間的間距，也與線路板材料的Dk值相關。這個距離會影響濾波器單元之間的耦合大小，在一定程度上影響濾波器的帶寬和其它特性。為了使具有不同Dk值的線路板材料上濾波器的性能相同，就必須保證Dk值高的材料上濾波器具有更大的諧振單元間隙。高Dk材料更容易實現高耦合，因此需要加大諧振單元之間的間隙，這樣才可以確保兩個電路之間的耦合系數相同，使得兩個帶通濾波器在具有不同Dk值的線路板材料上具有相同的性能。

圖2. 耦合微帶線帶通濾波器橫奇模和偶模的場分布

電路上有效Dk值（在PCB材料上的電路所實際呈現的Dk值）的差異也會影響高頻電路的性能。例如，耦合微帶線濾波器的奇模和偶模兩種不同模式（見圖2）。在偶模下，有效Dk基本上就是材料的Dk。但是在奇模模式下，有效Dk是線路板材料及其電路周圍空氣1共同作用下的介電常數。因此，工作于奇模的電路有效Dk通常低于偶模。

對于耦合微帶線帶通濾波器的兩種模式，有效Dk的差異還與兩種模式的相速度差有關。當設計的相速度不同時，需要考慮奇模情況下電路產生的寄生諧波響應。如果可以使兩種濾波器模式的相速度相同，寄生諧波就可以減少。

多層復合結構的電路

盡管具有不同Dk值的線路板材料在性能上會產生差異，但有時可以利用這種差異，將不同Dk值的線路板材料組合在一起，形成增強型的多層結構。在某些情況下，可能出于成本原因采用多層復合結構，也有可能為了提高電路的性能采用多層復合結構。如以下實驗所示，將具有完全不同Dk值的線路板材料組合起來，電路的某些特性和性能可以得到顯著提高。

圖3. 實驗電路的多層復合結構的橫截面示意圖

我們精心挑選了多款不同類型線路板材料設計加工的帶通濾波器進行實驗，結果表明復合線路板材料1可以有效提高濾波器的性能。對于同一個電路，使用不同基板材料組合而成的復合結構可以使耦合微帶線帶通濾波器的雜散諧波水平降至最低。與在單個基板材料上的帶通濾波器相比，在靠近信號平面附近使用較高Dk的線路板材料，然后在接地面附近使用較低Dk的線路板材料，通過這種復合加工出來的電路，可以顯著減少不必要的諧波寄生諧振（請參見圖3）。在兩種不同材料的電路中，奇模和偶模的信號相位速度可以近似相同，但濾波器的雜散水平要低得多，而且還不會犧牲濾波器的通帶和阻帶性能。

為了使復合材料的電路設計中偶模和奇模的相速度差異最小化，采用了多種模型來計算高Dk和低Dk材料所需的厚度比，以便使兩種模式的相速度差最小。設計中分別考察了幾種在單層和多層復合材料結構中的帶通濾波器，通過實驗更好地了解材料Dk值對電路設計的影響，以及具有不同Dk值的多層復合材料結構如何高效組合，達到改善電路性能的效果。

圖4. 兩種不同材料下測試窄帶耦合微帶線帶通濾波器性能

本次實驗中的標準參考電路使用了羅杰斯公司的25mil厚，型號為RT/duroid®6010.2LM的高頻板，加工出來的電路測試結果如圖4中的ID＃1號曲線所示。作為對比，多層復合結構電路是由25mil厚的RT/duroid®6010.2LM高頻板，以及同樣來自羅杰斯公司的6mil厚的2929半固化片材料，其測試結果如圖4中的ID＃3號曲線所示。其中，RT/duroid 6010.2LM的z軸（厚度）方向的Dk為10.7，而2929半固化片的Dk為2.9。

寬帶濾波器在諧振器單元之間采用緊耦合，而窄帶濾波器在諧振器單元之間采用松耦合。對于這兩種不同類型的耦合情況，分別在標準和多層復合結構上對不同類型的濾波器進行了評估。在圖4中的濾波器是窄帶濾波器，濾波器分別是ID#1號曲線是標準線路板材料上的窄帶耦合微帶線帶通濾波器的特性，ID#3號曲線是多層復合結構下相同的窄帶濾波器，可以看到其雜散諧波響應已大幅降低。

圖5. 兩種不同材料下測試寬帶耦合微帶帶通濾波器性能。

為了進一步驗證，同時設計了一個寬帶版本的濾波器，用于證明使用復合電路材料可以減少雜散諧波的方法，同樣適用于其它具有不同耦合類型的電路。從圖5可以看到，與在標準電路材料（ID#1）上制造的相同濾波器相比，寬帶耦合微帶帶通濾波器（ID#3）的多層復合結構實現了對雜散信號模式的更高抑制。

采用高Dk線路板材料是實現小尺寸高頻電路的一種常用方法。但是，如圖4和圖5所示，通過將低Dk和高Dk的線路板材料組合在一起，這樣可以在設計中同時兼顧兩種材料的優勢，獲得良好的電路性能。

參考文獻

1. John Coonrod, “Applied Methodology for Harmonic Suppression of Microstrip EdgeCoupled Bandpass Filters using Composite CircuitMaterials,” European Microwave Week, June 2015.