利用ADS和网络分析仪进行PCB介电常数与介质损耗的测量

简介：
本研究探讨了使用自动衰减法(Absorption Decrement System, ADS)及网络分析仪来精确测定印刷电路板(PCB)材料的介电常数(Dk)和介质损耗(Df)，旨在为电子设计工程师提供可靠的PCB材料特性数据，以优化高频应用中的信号完整性。 ### 使用ADS及网络分析仪完成PCB介电常数及介质损耗测量 #### 概述 随着电子技术的快速发展，在手机和个人通讯设备领域对高性能、高频段的印刷电路板（PCB）的需求日益增长。为了提升产品的市场竞争力并降低成本，FR4成为目前最常用的PCB介电材料之一。然而，由于制造过程中的差异性，FR4的实际介电性能可能与设计预期存在偏差。因此，精确测量PCB的介电常数和介质损耗对于确保电路性能至关重要。 #### 关键知识点详解 **1. 介电常数与介质损耗** - **介电常数（εr）**：反映了材料储存电场能量的能力。在PCB设计中，介电常数直接影响电路的特性阻抗和信号传播速度。 - **介质损耗（α）**：表示了信号传输过程中能量的损失程度。介质损耗越大，信号的衰减越严重，这对高频信号尤其重要。 **2. ADS软件** - **简介**：ADS（Advanced Design System）是由Keysight Technologies开发的一款高级射频和微波电路设计软件，广泛应用于通信系统的设计与仿真。 - **功能**：包括电路仿真、电磁场仿真、噪声仿真等，特别适用于高速和高频电路设计。 **3. 网络分析仪** - **作用**：用于测量网络参数，如S参数。这些参数能够反映网络在不同频率下的输入和输出关系。 - **类型**：常见的网络分析仪包括矢量网络分析仪（VNA），可以精确测量RFMicrowave组件的S参数。 **4. 测量原理** - **基本思路**：通过网络分析仪获取PCB的S参数数据，并将这些数据导入ADS软件中进行分析，从而计算出介电常数和介质损耗。 - **步骤**： 1. **S参数测量**：使用网络分析仪（例如HP8753D）测量PCB的S参数。 2. **数据导入**：将测量得到的S参数数据导入到ADS软件中。 3. **模型构建**：在ADS中建立相应的电路模型，并使用最佳化功能进行参数拟合。 4. **参数提取**：通过拟合结果计算出PCB的介电常数和介质损耗。 **5. 有损微带传输线特性** - **理论基础**：基于微带传输线理论，考虑到实际线路中金属性电阻损耗和介电材料损耗的影响。 - **等效电路**：图1展示了微带传输线的等效电路，其中包括电阻R、电感L、电导G和电容C。 - **传输常数和特性阻抗**：根据传输线理论，可以推导出传输常数γ和特性阻抗Zo的表达式（见原文公式1）。 - **金属性电阻损耗**：考虑到交流集肤效应的影响，总电阻由直流电阻和交流电阻组成（见原文公式2）。 - **介电材料损耗**：由介电材料的发散因子（tan(δ_d)）决定（见原文公式3）。 **6. ADS软件的最佳化功能** - **应用**：通过ADS软件内置的最佳化功能，自动调整模型参数以使仿真结果与实测数据匹配。 - **目的**：精确提取PCB的介电常数和介质损耗。 **7. 实验验证** - **方法**：通过与四分之一波长开路短枝共振腔的结果进行对比验证。 - **结论**：实验结果显示，利用此方法得到的介电常数和介质损耗值与理论预测相符，证明了该方法的有效性和准确性。 利用网络分析仪结合ADS软件进行PCB的介电常数和介质损耗测量是一种高效且准确的方法。通过对测量原理和实验流程的深入了解，可以帮助工程师们更好地掌握这一关键技术，为设计高性能PCB奠定坚实的基础。