介電常數(shù)的解析

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

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

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

一般微帶電路，比如天線，其尺寸與波長相關(guān)。PCB的介電常數(shù)越高，其對應(yīng)的波長就越短，所以當(dāng)要設(shè)計小型化天線時，首先想到的就是采用高介電常數(shù)的材料。

這里強調(diào)一下，介電常數(shù)其實是一個復(fù)數(shù)。實部，是衡量介質(zhì)材料存儲來自外部電場的能量的能力；虛部稱為損耗因子，是衡量材料對外部電場的耗散。

將虛部與實部的比值定義為損耗角正切。

一般器件手冊上，給的介電常數(shù)的值，其實是指他的實部。但是不要忘了，損耗角正切其實是在表征介電常數(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板材手冊就可以看出，在給出介電常數(shù)和損耗因子值的時候，右側(cè)都有對應(yīng)的測試條件，分別是頻率/溫度。

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

而且，從手冊上可以看出，廠商推薦的設(shè)計值和測量值不一樣。

什么是設(shè)計值？就是你用HFSS等三維電磁場仿真軟件仿真時，材料的介電常數(shù)的設(shè)置值。不過，這種設(shè)計值，目前也只在rogers公司的手冊上會看到。專業(yè)的就是不一樣。

Rogers的一篇文檔上是這樣說的：

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對介電常數(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。這些都會對介質(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，在最外層的電子便會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導(dǎo)致電荷分布不平衡，從而產(chǎn)生永久偶極矩。在沒有電場時，這些的方向是隨機的，不存在極化。但當(dāng)外部加有電場， 電場 E 將在電偶極子上施加扭矩 T，使偶極子旋轉(zhuǎn)與電場對齊，從而導(dǎo)致定向極化發(fā)生。如果場改變方向，扭矩也會改變。

這種取向變化時產(chǎn)生的摩擦?xí)a(chǎn)生介電損耗；在微波頻段，這種極化方式會導(dǎo)致介電常數(shù)的實部和虛部均發(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，就是因為食物中有水，電磁場穿過水，使水分子發(fā)生取向極化；電磁場方向變化時，水分子取向變化時的摩擦產(chǎn)生熱量，使食物變熱。

對于真正均勻的介質(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)外加電場時，這些材料中會有不同的極化特性。所以很難真正定義高頻 PCB 材料的 Dk 行為，進行高頻電路設(shè)計時，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 ：李倩