PCB技術 - 回路基板資料の異なる誘電率値を選択する方法

高周波回路の急速な発展に伴い、製品の携帯性と移動性に対するニーズが増加しており、この回路基板の小型化設計にもますます注目が集まっている。回路PCB材料の選択は通常、回路基板材料の誘電率（Dk）から考えられ、回路基板の多くのパラメータの考慮の先頭にある。低速波伝搬構造を採用した回路は回路小型化技術の1つであるが、Dk値が高いPCB材料を選択するのは回路が小さいサイズを持つ比較的直接的な方法である。もちろん、特定の場合には、高誘電率の回路基板材料の選択ばかりを追求することはできません。実際の設計では、電子回路の小型化寸法を満たすことができ、回路基板材料のDk値をあまり高くしないようにすることができる。

高周波プリント回路基板（PCB）の物理的なサイズは、通常、回路上で伝播される信号の波長と関係があり、信号周波数の増加に伴って波長が減少する。以下の回路基板材料における高低Dk値の差異の迅速な比較は、Dk値が相対的に低いものと高いものの2種類のPCB資料間の差異を比較した。高周波データの異なる特性に応じて、この比較はある程度多かれ少なかれエンジニアが設計ニーズを満たす回路基板材料を迅速に選別するのを助けることができ、これも実は重要な意義を持っている。

基板        基板の波長   位相    速度   異方性   放射分散   損失結合    挿入   損失

低Dk          長                 高       低         低         低             低           低           低

高Dk          短                 低       高         低         高             高           高           高 

基板材料における高低Dk値の違い

上述の2つの異なるタイプの回路基板材

料を例にとると、同じ周波数で動作する2つの無線周波数/マイクロ波回路に対して、Dk値の低いPCB資料に加工された回路は長い波長を持つことができる。ほとんどの無線周波数/マイクロ波回路設計は波長のサイズ特性に基づいているため、Dk値の高い回路基板材料は所与の周波数で波長が小さくなり、加工されたPCBは回路サイズが小さいことになる。

異なる誘電率Dk値を有する回路基板材料間の位相速度の違いも回路基板資料を選択する考慮要素の1つとなり、特に実現される回路機能と位相速度、群遅延または伝搬遅延などのパラメータが非常に敏感な場合。Dk値が低い基板材料は、Dk値が高い基板材料よりも速い位相速度を持っている。遅延線や高速デジタル回路などの遅延精度に非常に敏感な回路は、異なる位相速度や伝播遅延を持つ伝送線の影響を受ける可能性があり、そのような回路には、特に選択された基板材料のDk値の大きさを考慮する必要があります。

通常、基板データの3次元（x、y、z）方向のDk値はそれぞれ異なり、これらの値は加工で作られた回路の機能に影響を与えます。しかし、基板データは通常、そのz軸（厚さ）方向のDk値を典型的な値として比較している。基板データがx軸、y軸とz軸との間に差があるのは正常な現象であり、この特性を基板データの異方性と呼ぶ。Dk値が高い資料の異方性は通常、Dk値が低い基板資料の異方性よりも大きく、この違いの原因は高周波基板資料の製造パイプによるものである。回路基板データはx、y平面、z軸ともに異なるDk値を持っているが、相対的にxとy軸のDk値は互いに近い。

x−y平面のDk値とz軸Dk値の違いは、多くのタイプの高周波回路（例えば、単伝送線や短断線）にとって一般的にはそれほど重要ではありませんが、結合特性を持つ回路の機能に影響を与えることは確かです。結合回路に与える高異方性の影響を解決するために、いくつかの高Dkの回路基板資料は設計時にすでにこの影響要素を考慮して、資料の異方性を最小化設計した（以下の高周波回路基板資料の異方性の比較のように、他の材料と比べて、表中のTMM 10 iとTMM 13 iの2種類の回路基板材料のx-y方向とz軸上のDk値は非常に近い）。

RO3003™回路基板3 3.05

RO3006™回路基板6.5 7.2

RO3010™回路基板11.2 12.4

RO3035™回路基板3.6 3.7

RO3206™回路基板6.6 8.3

RO3210™回路基板10.813.3

RO4003C™回路基板3.55 3.7

RO4003C   LoPro®回路基板3.53.7

RO4350B™回路基板3.66 3.75

RO3003B   LoPro®回路基板3.55 3.75

RO4360G2™回路基板6.4 6.5

RT/duroid®   6002回路基板2.94 2.94

RT/duroid 6006回路基板6.45 8.3

RT/duroid 6010.2 LM回路基板10.7 13.4

MRT/duroid 5880回路基板2.2 2.3

TMM® 3回路基板3.45 3.4

TMM 4回路基板4.7 4.8

TMM 6回路基板6.3 6.5

TMM 10回路基板9.8 10.8

TMM 10 i回路基板9.9 10.3

TMM 13 i回路基板12.2 12.3

高周波回路基板材料の異方性の比較

回路基板材料のDk値も同様に、放射損失、分散、結合、挿入損失を含む他の高周波領域のパラメータに影響を与える。その中で、放射損失は多方面の要素によるもので、特に回路自体の設計とその動作周波数、高周波回路は低周波回路よりも大きな放射損失を持っている。また、基板材料の厚さも放射損失の影響要因の1つである。同じ回路でも、薄い基板よりも厚い基板に加工された回路の方が大きな放射損失を示すことがあります。第二に、回路基板資料のDk値も放射損失に影響を与え、Dk値が高い資料設計の回路はDk値が低い資料よりも低い放射損失を持つことが多い。

周知のように、マイクロストリップ伝送路は分散されているが、帯状線に基づく高周波回路伝送路は非分散である。しかし、回路基板資料自体は分散性を持っており、分散の程度は回路基板資料のDkが周波数に応じて変化する程度に依存する。一般に、Dk値が高い回路基板材料は、Dk値が低い回路基板材料よりも大きな分散変化を示す。ただし例外もあり、必要に応じて基板材料の分散を減らすために基板材料の配合を変更することができます。

異なる誘電率DK回路の結合特性の違いは、結合マイクロストリップラインバンドパスフィルタにおいて一般的に容易に現れる。バンドパスフィルタの異なる共振セル間の結合係数は、高誘電率のデータを使用することによって結合性を追加することができる。マイクロストリップワイヤフィルタ共振器の間を結合するのは回路基板材料x−y平面を介して結合するものであり、この回路基板資料の異方性定員はこのようなフィルタにとって非常に重要である。方向性結合器およびより高い結合係数を必要とする他の回路に対して、より高いDk値を有する回路基板データを使用することができる。例えば、回路信号層と接地層との間の結合はより緊密で、回路と回路資料から放射されるエネルギーは少なく、したがって、高Dk回路基板資料はマイクロストリップ回路をより強い結合にすることができる。

2つの類似した回路は、Dk値の高低が異なる2種類の回路基板上にそれぞれ加工されており、より高いDk回路基板上に加工された回路は、通常、より低いDkの回路基板よりも高い挿入損失を有することが分かった。資料自体は挿入損失の差を直接引き起こすことはありませんが、Dk値の高い回路基板資料は導波信号の波長を小さくし、回路特性を小さくします。高いDk値は信号伝導線を狭くし、低いDkの広い信号伝導体に比べて狭い信号伝導線はより大きな導体損失をもたらす。これは、より高いDk値を有する回路基板資料上で回路を加工する際に、回路の挿入損失が一般的に低いDk値よりも高い回路基板を示している。

高Dk回路基板の資料を利用して回路の小型化設計を実現しようとする場合、エンジニアはDk値の変化が回路の無線周波効率に与える異なる影響を十分に考慮しなければならない。

高周波回路基板

高Dk回路基板材料を採用することは、小型高周波回路を実現するための一般的な方法である。しかし、低Dkと高Dkの配線板資料を組み合わせることで、設計において2つの材料の利点を両立させ、良好な回路効率を得ることができる。