Composing Capacitors and Inductors on PCB Materials

电路设计工程师长期依赖PCB的基本物理特性以在PCB上通过简单的形式和结构实现电容和电感。例如，在PCB上，由于金属信号层平面和接地层平面是平行的，其间填充介质材料，这会导致PCB上形成寄生电容。当然，金属层的导体厚度和金属种类等特性，以及介质材料的机械和电气特性如相对电容率（或介电常数），都会对电路最终性能和稳定性产生影响。PCB材料的诸多特性，特别是介电常数的一致性，对射频和微波频段实现稳定可靠的PCB电容和电感将大有帮助。

无论是商业蜂窝电话还是便携军用通信设备，电路设计者都想尽可能缩小电路尺寸。集成电路设计者也千方百计地缩减芯片尺寸，如将越来越多的有源器件包括放大器、微处理器和谐振器等封装在同一芯片上。即使小型芯片，在PCB上的也需要电容、电感等无源器件来实现阻抗匹配以保证信号的有效传输。电路设计者通常需要稳定可靠的电感和电容，了解PCB材料上如何实现电感和电容对电路设计将大有帮助。

PCB材料的Dk值和Dk容差等特性会极大影响PCB嵌入式电容和电感的性能及稳定性。由于电容和电感是通过微带线或带状线等不同形式实现的，其在PCB上会占用一定比例的空间。因此为电感、电容等无源器件及相关电路选用的电路材料应具有良好的Dk特性，这有利于不同电路结构获得稳定的容抗和感抗。

当设计微带线时，某些特定电路结构的接地面上方传输线面积决定了该电路的电容值。90度直角传输线也会增加电路的电容值。弯折线等简单结构被应用于增加电路的电感值。螺旋线电路长期被用于增加电路的电感值，通过改变螺旋线宽度和螺旋线间距可以改变电感值。螺旋线电感由自谐振频率来表征，其值会随着螺旋线宽度增加和螺旋线间距变小而增大。

嵌入式电容的电容值取决于诸多因素，包括信号平面和地平面的间距（即介质层的厚度）电容结构的尺寸。信号平面信号线间的耦合也会增加微带线电路的电容。电路设计者通常把嵌入的电感和电容作为电路RLGC模型的参数并把它们添加在电路仿真模型中来仿真传输线电路的性能。

通常认为，在仿真模型输入仿真软件的PCB的各种RLGC结构尺寸都和PCB的真实加工尺寸是相同的。因此在仿真中，不同的结构参数会导致仿真结果中输出不同的电容值和电感值。

当然，在仿真传输线90度直角弯曲的电容值时，电路仿真模型也考虑了PCB材料对电容值的贡献。仿真模型中的电路材料参数包括Dk，Dk容差以及Dk随温度和频率偏离。通过多个模型的仿真，可以关注不同参数改变对电路的影响。例如，在仿真中，可忽略PCB的导体损耗和介质损耗，基于电路结构尺寸容差，仅关注Dk一致性偏差对电路电感值、电容值的影响。

有很多参考指导可以计算不同尺寸的PCB上微带线电容和电感值，例如美国无线电中继联盟网站(www.arrl.org) ARRL手册。对于微带线电感，手册中提供了通过微带线宽度、接地面距离、PCB材料Dk等参数的计算方法。

PCB材料的选用会对刻蚀的PCB电容和电感的性能产生重要影响。材料的参数会影响电容值和稳定性以及电感的品质因数、SRF、自感因子等。PCB材料的Dk值将决定某工作频率下不同电路结构的尺寸，但Dk值的容差将极大影响刻蚀在PCB铜层上的电容和电感的一致性和性能。

例如，罗杰斯公司的RO4835™电路材料是玻纤增强的碳氢化合物和陶瓷介电材料。良好的z向稳定性（沿着厚度方向）使其成为多层电路应用中的选择。在10GHz时，整个电路板上的z向Dk值为3.48，Dk容差为±0.05。对于电感和电容等无源器件的加工，这意味着电感和电容因PCB材料Dk变化导致的电感值和电容值的变化将非常小，而在随频率和温度变化时，电感值和电容值仍能够维持稳定。

为追求良好的Dk容差，罗杰斯公司提供Dk容差极小的电路材料，例如陶瓷填充的PTFE电路材料RO3003™。在10GHz时，它在整个电路板上的z向Dk值为3，容差为±0.04。RT/duroid® 5880是玻璃微纤维增强的PTFE复合材料。在整个电路板上，其Dk值为2.2，容差为±0.02。该低损材料适用于很宽频带范围，涵盖毫米波频段。

设计者通常为某一特殊值的Dk值选用某PCB材料， 但Dk容差未知或未经严格控制，这将导致电容、电感等刻蚀电路元件不能达到商用电路仿真软件中仿真得到性能和一致性。严格控制Dk容差的PCB材料可以为电容、电感等无源器件期望值的实现提供保证，也可以为频率和时间变化时电路性能的稳定性提供保证。

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