为什么要用高速板材？它对信号有什么影响？

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一博科技自媒体高速先生原创文 | 陈亮

随着信号传输速率越来越快，越来越多的产品选择使用高速板材。高速板材到底是什么呢？“高速板材”是业内的俗称，泛指应用于高速PCB中的低损耗板材。这一类的板材相比普通的FR4材料，具有更小的Df（耗散因子或损耗角正切）。Df是什么？它对信号有什么影响呢？

由于构成板材的玻璃纤维布和树脂等绝缘材料介质中的带电粒子被束缚在分子中，外加电场会使其产生微观位移，使介质中的偶极子随电场方向规则排列，这种现象称为介质的极化，极化过程产生的能量损失称为介质损耗，板材的Df值就是衡量板材介质损耗的大小的参数。

为了让大家更直观的了解高速板材和普通板材的区别，我用仿真软件简单搭了一个电路。让大家看看相同一段走线使用不同Df的板材对信号的影响：

Standard Loss板材上的10英寸走线：


Very Low Loss板材上的10英寸走线：


Standard Loss板材：  Very Low Loss板材：
1GHz正弦波信号：


5GHz正弦波信号：

……

25GHz正弦波信号：


普通板材与高速板材相比对正弦波信号的衰减更大，尤其是对高频谐波的衰减更为明显，由于数字信号通过不同频率的正弦波合成。正弦波的衰减将导致需要传输的信号产生边沿退化、幅度降低等问题，影响传输线的带宽。使用高速板材可以降低单位长度传输线的损耗。所以在线长相同的情况下，高速板材能使传输线带宽更高，信号裕量更大。同理：在相同损耗要求的情况下，使用高速板材可以走更长的走线，性能仍满足要求。

我们有两辆不同油耗的汽车，汽车A每百公里油耗22升（Df:0.022），江湖人称油老虎。汽车B每百公里油耗4.5升（Df:0.0045），人送外号省油小霸王。如果你只有50升油，你的目的地（接收端）在800公里（走线长度）外，油老虎走不到三分之一就趴窝了（接收端的信号裕量严重不足）。如果是开省油小霸王，开到目的地还能剩14升油（接收端信号裕量满足）。但如果你的目的地（接收端）在200公里（走线长度）外，油老虎也能开到，但是剩余油量不多（裕量不多），中途出点状况可能就到不了了（抗风险能力差）。这时候如果你开省油小霸王就能轻松应对。


这就是为什么有时候需要使用高速板材的原因，在信号速率高，走线长，对损耗有要求的设计，使用普通材料已经没有裕量或者裕量不多情况下，我们会推荐使用高速板材。

高速板材根据Df值不同，被分为多个等级。Df值仅供参考，使用请以对应材料data sheet为准。

• 普通损耗板材：  Standard Loss     Df<0.022@10ghz
• 中损耗板材：    Mid  Loss         Df<0.012@10ghz
• 低损耗板材：    Low Loss          Df<0.008@10ghz
• 非常低损耗板材：Very Low Loss     Df<0.005@10ghz
• 超低损耗板材：  Ultra Low Loss    Df<0.003@10GHz
  

大家可以趁此机会相互交流一下自己使用高速板材遇到的问题或者使用心得。小陈就先抛砖引玉：高速板材不是工厂常备料，所以是需要提前备料的，生产工厂在国内,则备料时间约1周左右，生产工厂在国外,则备料时间约2-4周左右。根据距离远近，材料紧俏程度会有所波动。研发周期很紧的项目需要特别注意这一点。

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本期提问

使用高速板材的时候，除了关注Df参数，还需要哪些需要注意的地方？