聊一聊介電常數(shù)

介電常數(shù)是我們作為射頻工程師經(jīng)常碰到的參數(shù)，所以今天就來(lái)聊一聊它。

如果一種材料能儲(chǔ)存能量，就可以被稱(chēng)之為介電質(zhì)。而介電常數(shù)是介電質(zhì)材料的一個(gè)參數(shù)。

比如說(shuō)，電容可以存儲(chǔ)電荷，而當(dāng)電容平板中間填充有介質(zhì)時(shí)，存儲(chǔ)的電荷會(huì)更多。介電常數(shù)越大，儲(chǔ)存的電荷就越多。

一般微帶電路，比如天線(xiàn)，其尺寸與波長(zhǎng)相關(guān)。PCB的介電常數(shù)越高，其對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)就越短，所以當(dāng)要設(shè)計(jì)小型化天線(xiàn)時(shí)，首先想到的就是采用高介電常數(shù)的材料。

這里強(qiáng)調(diào)一下，介電常數(shù)其實(shí)是一個(gè)復(fù)數(shù)。實(shí)部，是衡量介質(zhì)材料存儲(chǔ)來(lái)自外部電場(chǎng)的能量的能力；虛部稱(chēng)為損耗因子，是衡量材料對(duì)外部電場(chǎng)的耗散。

將虛部與實(shí)部的比值定義為損耗角正切。

一般器件手冊(cè)上，給的介電常數(shù)的值，其實(shí)是指他的實(shí)部。但是不要忘了，損耗角正切其實(shí)是在表征介電常數(shù)的虛部。

那介電常數(shù)是不是不變的呢？

答案是NO。

從上面截取的PCB板材手冊(cè)就可以看出，在給出介電常數(shù)和損耗因子值的時(shí)候，右側(cè)都有對(duì)應(yīng)的測(cè)試條件，分別是頻率/溫度。

所以嘍，材料的介電常數(shù)不是個(gè)恒量，會(huì)受頻率和環(huán)境的影響。

而且，從手冊(cè)上可以看出，廠(chǎng)商推薦的設(shè)計(jì)值和測(cè)量值不一樣。

什么是設(shè)計(jì)值？就是你用HFSS等三維電磁場(chǎng)仿真軟件仿真時(shí)，材料的介電常數(shù)的設(shè)置值。不過(guò)，這種設(shè)計(jì)值，目前也只在rogers公司的手冊(cè)上會(huì)看到。專(zhuān)業(yè)的就是不一樣。

Rogers的一篇文檔上是這樣說(shuō)的：

These are Dk values that can be used reliably and accurately within commercial computer-aided-engineering (CAE) software tools. The Design Dk values are measured by yet other measurement techniques, the differential phase length method.

意思就是，你仿真的時(shí)候，可以放心大膽的用。

除了頻率和溫度，銅的表面粗糙度也會(huì)對(duì)介電常數(shù)產(chǎn)生影響。

介質(zhì)材料中存在多種極化效應(yīng)，包括離子導(dǎo)電、偶極極化、原子極化和電子極化。這些都會(huì)對(duì)介質(zhì)的介電常數(shù)產(chǎn)生影響。

當(dāng)原子互相結(jié)合成為分子時(shí)，在最外層的電子便會(huì)由一原子移至另一原子或成為彼此共享的電子。電子的這種重新排列可能會(huì)導(dǎo)致電荷分布不平衡，從而產(chǎn)生永久偶極矩。在沒(méi)有電場(chǎng)時(shí)，這些的方向是隨機(jī)的，不存在極化。但當(dāng)外部加有電場(chǎng)， 電場(chǎng) E 將在電偶極子上施加扭矩 T，使偶極子旋轉(zhuǎn)與電場(chǎng)對(duì)齊，從而導(dǎo)致定向極化發(fā)生。如果場(chǎng)改變方向，扭矩也會(huì)改變。

這種取向變化時(shí)產(chǎn)生的摩擦?xí)a(chǎn)生介電損耗；在微波頻段，這種極化方式會(huì)導(dǎo)致介電常數(shù)的實(shí)部和虛部均發(fā)生變化。

比如，水就是極易發(fā)生取向極化的物質(zhì)。

微波爐之所以能加熱食物，就是因?yàn)槭澄镏杏兴?，電磁?chǎng)穿過(guò)水，使水分子發(fā)生取向極化；電磁場(chǎng)方向變化時(shí)，水分子取向變化時(shí)的摩擦產(chǎn)生熱量，使食物變熱。

對(duì)于真正均勻的介質(zhì)，例如真空，介電常數(shù)是一致。

但是大多數(shù)PCB材料是由不同材料組成的復(fù)合材料，每種材料都有自己的Dk值。當(dāng)外加電場(chǎng)時(shí)，這些材料中會(huì)有不同的極化特性。所以很難真正定義高頻 PCB 材料的 Dk 行為，進(jìn)行高頻電路設(shè)計(jì)時(shí)，只能將其數(shù)據(jù)表中 Dk 值視為近似值以作為參考。

審核編輯：劉清