在PCB電路的開發階段,通常要經歷幾次電路設計迭代,包括測試、再設計、重新加工電路等。這些多次的更改可能導致成本上升,一個項目從開始開發到推出市場經歷4次到8次的更改并不少見。比較慣用的方式是使用電路仿真軟件做好精確的仿真從而可以大幅度減少變更次數和相關成本。
有許多非常好的仿真軟件工具,可以使電路設計師能夠對電路的電氣性能進行預估計。所有類似的這種電路仿真都是基于電路模型上進行的,與電路的阻抗、插入損耗等密切相關。通過電路仿真可以得到電路的很多性能和屬性,但往往實際電路性能與仿真模型的仿真結果存在一些差異。其中有的差異??;而有的差異卻非常顯著。
在設計師將數據輸入到仿真軟件之前,他們需要理解所填數據的具體含義和細節。由于電路的獨有期望性能,所有仿真模型都不盡相同,因此輸入的數據可能并不完全適合該模型。仿真結果的不準確性可能是由定義模型時用戶的輸入數據造成的。有時,可能是用戶的疏忽,也可能是用戶認為準確的信息實際并不準確。其中一個潛在的不精確因素就是電路所使用PCB材料的介電常數(Dk)值??赡蹹k值本身是準確的,但用戶可能由于對如何獲得Dk值及其表示內容的誤解而不恰當地使用它。
任何介電材料的Dk都與頻率有關。換言之,當測試同一片材料且使用相同的測試方法時,在不同頻率下測試時,其 Dk值會略有不同。通常在幾兆赫茲到約5GHz~10GHz的頻率范圍內,Dk隨著頻率的變化略大。對于大多數低損耗電路材料, 從10GHz到250GHz,Dk頻率曲線會有一個輕微的負斜率變化??紤]到這個頻率范圍,再根據電路材料的極化程度,隨著頻率的增加,通常Dk減小在2%或更小的范圍內。為了更精確的電路建模,應使用與電路相同頻率產生的材料Dk數據。
另一個問題是各向異性,對于電路仿真中使用的Dk值來說,這一問題通常更容易被忽略。大多數電路材料都是各向異性的,這意味著Dk在材料的三個軸上的值不一樣。電路材料的Z軸(厚度方向)Dk與材料的x-y平面Dk不同,是很常見的。X軸和Y軸的Dk值通常相似,但X,Y軸與Z軸的Dk值通常差別很大。此外,對于材料Dk的測試有很多的測試方法,某些測試方法僅評估材料Z軸的特性而某些方法評估X-Y平面的特性。
如果設計師在他們的模型中使用的Dk信息是X-Y平面(而不是Z軸)的,則它可能不適合他們的特定模型。了解用什么樣的測試方法來測定Dk以及獲得Dk值的測試頻率是有非常有幫助的。
對于大多數高頻電路材料,其Dk值通常在4左右或更低,各向異性通常不那么顯著。在大多數情況下,Z軸和X-Y平面Dk值之間的差異不超過3%。然而,對于非填充的玻璃布增強電路材料,Dk差異可能要高得多。
在Dk值較高的材料(如Dk值為6或更高的材料)情況下,與X-Y平面Dk值和Z軸的Dk值有更大的差異。對于這些材料,由于各向異性通常材料的Dk差異為5%至15%(實際值取決于具體材料)。也有一些例外,某些高Dk材料具有很小的各向異性。不管怎樣,設計師在使用Dk值較高的材料時都應考慮各向異性。
最后,設計師應該使用與其電路設計結構最相似測試方法所得的Dk值,且頻率相同。由于測試方法的數量有限,電路應用的種類繁多,設計師可能很難在測試方法和它們的模型之間找到很好的匹配。無論如何,設計人員應該了解并嘗試使用盡可能接近其模型的生成的Dk值。此外,可與材料供應商聯系,確認他們是否能提供更適合其設計的Dk信息。