Материалы для ВЧ-плат

В уроке 4.2 ты выбирал материал платы по механике и температуре: FR-4, Tg, толщина. Для ВЧ-тракта появляются ещё два вопроса. Какую диэлектрическую проницаемость даёт материал и насколько она стабильна? Сколько энергии он поглощает? От первого зависят Z0 и длины резонансных отрезков, от второго — потери.

Что важно в диэлектрике

• Dk (εr, dielectric constant) — диэлектрическая проницаемость. Определяет ширину линии 50 Ом и длину волны. Важно не только значение, но и разброс от партии к партии и зависимость от частоты и температуры.
• Df (tg δ, dissipation factor) — тангенс угла потерь. Потери в диэлектрике пропорциональны Df и частоте.
• TCDk — температурный коэффициент Dk, в ppm/°C. Важен для фильтров и резонаторов: «уплыл» Dk — уплыла частота.
• Однородность. FR-4 — это стеклоткань, пропитанная смолой. У стекла Dk около 6, у смолы около 3. Узкая дорожка может лечь вдоль нити стекла или между нитями, и её Dk будет разным (эффект переплетения, fiber weave effect).
• Поглощение влаги. Вода имеет εr около 80, поэтому даже доли процента влаги сдвигают Dk и увеличивают потери.

Подложки 1970-х: что было у Малорацкого

📖Из учебникаМалорацкий, гл. 1, §1.5, с. 81–97

Малорацкий начинает с требований к подложке: малые потери, стабильная εr, теплопроводность, гладкая поверхность, механическая прочность. Затем он сравнивает материалы. Табл. 1.12 (с. 94) — неорганические подложки на 10 ГГц: сапфир и поликор (керамика 99,8 % Al₂O₃) с εr ≈ 9,6–9,9 и tg δ ≈ 10⁻⁴, ситаллы (стеклокерамика) с εr от 7 до 15, кварц с εr ≈ 3,8, керамика на оксиде бериллия, ферриты. Табл. 1.10 (с. 92) — органические: фторопласт-4 с εr ≈ 2,0–2,1 и стеклотекстолит СКМ-1 с εr ≈ 4,2–4,8 и tg δ в десятки раз хуже керамики. Автор отмечает, что у рутила εr меняется примерно на 10 % в диапазоне 0…100 °C, что сдвигает частоту резонатора на 5 %. Ещё он показывает роль чистоты поверхности: при шероховатости 0,5 мкм потери в проводнике примерно удваиваются. Керамика на BeO проводит тепло примерно в 10 раз лучше Al₂O₃, но её пыль токсична.

Что из этого актуально сегодня. Тонкоплёночные гибридные схемы (ГИС СВЧ, MIC) на поликоре и сапфире живут и сегодня — в военной, космической и измерительной технике на десятки гигагерц. Но для обычных устройств до 6 ГГц (LoRa, BLE, Wi-Fi, GNSS) их заменили многослойные печатные платы из FR-4 и органических ВЧ-ламинатов. Требования к подложке при этом остались те же, что в списке Малорацкого. Аналогом его «стеклотекстолита» стал FR-4, аналогом фторопласта-4 — ламинаты на основе PTFE.

Современные материалы

Материал	Dk	Df	Комментарий
FR-4 (Shengyi S1000-2M)	4,6 на 1 ГГц, 4,9 на 1 МГц	0,018 на 1 ГГц	дёшево, у всех производителей; Dk падает с частотой
Rogers RO4350B	3,48 ± 0,05 (процесс), 3,66 (для расчёта)	0,0037	углеводород-керамика; обрабатывается как FR-4
Rogers RO4003C	3,38 ± 0,05 (процесс), 3,55 (для расчёта)	0,0027	то же, без антипирена (не UL 94 V-0)
PTFE (RT/duroid 5880)	2,20	0,0009	очень малые потери; мягкий, сложнее в производстве

Значения Rogers — по даташиту производителя (Df указан на 10 ГГц), FR-4 — по даташиту Shengyi S1000-2M. Другой FR-4 даст другие цифры: Dk разных марок лежит примерно от 4,0 до 4,8. Всегда бери значения из даташита того материала, который реально использует твой производитель плат.

Обрати внимание на две колонки Dk у Rogers. Process Dk измеряют стандартным методом на самом ламинате. Design Dk производитель рекомендует подставлять в расчёт линий: в нём уже учтены медь, шероховатость и реальная структура поля. Для расчёта в калькуляторе бери design Dk.

Микрополосковая линия

Ширину по Z0Z0 по ширине

εr Толщина диэлектрика h, ммдо ближайшего слоя землиНужное Z0, Ом Ширина W, мм Частота, МГц

Ширина W

—

εэфф

—

λ в линии (λг)

—

Четверть волны λг/4

—

Задержка

—

W/h

—

Формулы Хаммерстада–Йенсена (1980), точность около 1 %. Не учтены толщина меди (снижает Z0 на 1–3 %), паяльная маска (снижает Z0 ещё на 1–2 Ом) и рост εr с частотой. У FR-4 εr плавает от партии к партии (обычно 4,0–4,7): для серийной платы заказывай контроль импеданса у производителя и бери его расчёт.

Сколько теряется: пример на 2,45 ГГц

Посчитаем потери линии 50 Ом длиной 10 см на 2,45 ГГц. Используем приближённые формулы Позара (§3.8): потери в диэлектрике зависят от εr, εэфф, Df и частоты, потери в меди — от поверхностного сопротивления меди, ширины дорожки и Z0. Шероховатость и маску не учитываем.

Рис. 12.3а. Оценка потерь в линии 50 Ом длиной 10 см на частоте 2,45 ГГц. В FR-4 основная беда — диэлектрик (tg δ ≈ 0,018). На тонком диэлектрике дорожка узкая, и к ним добавляются потери в меди. У Rogers диэлектрические потери в 5 раз меньше. Шероховатость меди добавит к «меди» ещё 40–80 %.

Что видно на диаграмме:

• FR-4, 1,6 мм — ≈ 0,76 дБ на 10 см. Почти всё — диэлектрик. Широкая дорожка 3 мм почти не теряет в меди.
• FR-4, 0,2 мм — ≈ 1,3 дБ. Диэлектрические потери те же (они не зависят от толщины), но дорожка сужается до 0,37 мм, и потери в меди растут в несколько раз.
• RO4350B, 0,508 мм — ≈ 0,33 дБ, в 2–4 раза меньше. Диэлектрик теряет в пять раз меньше FR-4.

Отсюда практический вывод. Если ВЧ-тракт короткий — 1–3 см от чипа до антенны — FR-4 хватает: потери 0,1–0,3 дБ незаметны на фоне согласования и антенны. Именно поэтому почти все модули LoRa, BLE и Wi-Fi сделаны на FR-4. ВЧ-ламинат нужен, когда:

• тракт длинный (десятки сантиметров), например в фазированных решётках и делителях на много выходов;
• на плате фильтры, ответвители и резонаторы, которым нужен точный и стабильный Dk (уроки 12.5–12.6);
• частота выше 6 ГГц, где потери FR-4 и разброс Dk становятся критичными;
• важен каждый десятый децибел: вход малошумящего усилителя, выход мощного усилителя.

Шероховатость меди

Медная фольга шероховатая специально: так она лучше держится на диэлектрике. Но на ВЧ ток течёт в скин-слое толщиной δ (≈ 1,3 мкм на 2,45 ГГц). Если неровности сравнимы с δ, путь тока удлиняется, и потери в меди растут.

Классическая оценка Хаммерстада: потери в меди умножаются на K = 1 + (2/π)·arctg(1,4·(Δ/δ)²), где Δ — среднеквадратичная шероховатость. Множитель не больше 2. На 2,45 ГГц:

• Δ = 1 мкм → K ≈ 1,4;
• Δ = 2 мкм → K ≈ 1,8.

Это совпадает с наблюдением Малорацкого: шероховатость порядка толщины скин-слоя удваивает потери. Поэтому у ВЧ-ламинатов предлагают фольгу с пониженной шероховатостью (обозначения вроде LoPro, VLP, HVLP — у каждого производителя свои). Для коротких трактов до 6 ГГц это обычно неважно. Для длинных линий и фильтров стоит спросить производителя плат, какую фольгу он использует.

Гибридные стеки

ВЧ-ламинат дороже FR-4 в разы, а цифровой части платы он не нужен. Поэтому часто делают гибридный стек (hybrid stackup): верхний слой с ВЧ-трактом лежит на тонком RO4350B или RO4003C, а остальные слои — обычный FR-4. Земля на втором слое отделяет ВЧ-диэлектрик от остальной платы.

Минусы гибридного стека:

• не каждый производитель его делает, и стоит он дороже стандартного многослойного;
• материалы по-разному расширяются при нагреве, поэтому возможна деформация (warp, коробление) платы;
• нужно согласовать с заводом препреги и режим прессования.

Поэтому сначала проверь: может быть, хватит стандартного четырёхслойного FR-4 с тонким препрегом между L1 и L2.

Как выбрать материал

1. Посчитай длину ВЧ-тракта в длинах волн и оцени потери на FR-4 (как в примере выше).
2. Если потери меньше 0,5 дБ и на плате нет фильтров и резонаторов на отрезках линий — бери FR-4 с тонким препрегом.
3. Если нужны точные распределённые элементы или длинные линии — бери ВЧ-ламинат (RO4350B, RO4003C или аналоги) для верхнего слоя или всей платы.
4. Свяжись с производителем плат: какие ВЧ-материалы он держит на складе, какой стек предлагает, какие Dk и Df подставлять в расчёт.
5. Пересчитай линии под реальный стек и Dk на рабочей частоте.

🛠Особенность Altium

Материал каждого слоя задают в Layer Stack Manager: колонки Material, Dk и Df (урок 9.2). Калькулятор импеданса Altium считает ширину по введённым Dk и толщине, поэтому вводи design Dk на рабочей частоте из даташита, а не значение на 1 МГц. Есть ли нужный ламинат в библиотеке материалов твоей версии, проверь сам — названия колонок и наличие материалов могут отличаться.

Практика

1. Посчитай калькулятором ширину линии 50 Ом на RO4003C толщиной 0,508 мм (design Dk = 3,55). Сравни с RO4350B. (≈ 1,14 мм против ≈ 1,11 мм: почти одинаково.)
2. Ты взял для расчёта Dk FR-4 на 1 МГц (4,9), а на 2,45 ГГц он около 4,5. Какую ошибку в Z0 это даст для дорожки 3 мм на 1,6 мм? (≈ 48 Ом в расчёте против ≈ 50 Ом в реальности: около 4 %. Для антенного тракта терпимо, для фильтра — нет.)
3. Тракт от Wi-Fi-чипа к разъёму на краю платы — 12 см на FR-4 1,6 мм, 2,45 ГГц. Сколько дБ теряется? Что бы ты сделал? (≈ 0,9 дБ. Лучше перенести чип ближе к разъёму или антенне. Если это невозможно — ВЧ-ламинат на верхнем слое или коаксиальный кабель.)

🧯 Типичные ошибки

В калькулятор подставили Dk FR-4 на 1 МГц

Почему Dk FR-4 падает с частотой: у S1000-2M он 4,9 на 1 МГц и 4,6 на 1 ГГц.

Как исправить Бери Dk на частоте, ближайшей к рабочей, из даташита материала. У Rogers — design Dk.

Заказали Rogers, а производитель поставил «аналог» с другим Dk

Почему Название материала в заказе не гарантирует его наличие на складе завода.

Как исправить Заранее согласуй материал и стек с производителем. Пересчитай линии под тот материал, который он подтвердил.

ВЧ-ламинат выбрали «на всякий случай» для короткого тракта на 868 МГц

Почему Потери в 2 см линии на FR-4 на 868 МГц — сотые доли дБ. Плата подорожала, а выигрыша нет.

Как исправить Сначала оцени потери на FR-4. Ламинат оправдан длинными трактами, точными фильтрами и частотами выше 6 ГГц.

Проверь себя

1. 1. Что сильнее всего определяет диэлектрические потери линии?

   Толщина медиDf (tg δ) материала и частотаШирина дорожкиЦвет маски
2. 2. Какое значение Dk RO4350B подставлять в калькулятор линии?

   3,48 (process Dk)3,66 (design Dk)4,6, как у FR-4
3. 3. Почему потери в меди растут, если сделать диэлектрик тоньше при том же Z0?

   Тонкий диэлектрик хуже по DfДля 50 Ом дорожка становится уже, ток течёт по меньшему периметруРастёт излучение
4. 4. Когда для ВЧ-модуля на 2,4 ГГц почти наверняка хватит FR-4?

   Когда тракт от чипа до антенны короткий (1–3 см) и на плате нет распределённых фильтровНикогда, на 2,4 ГГц нужен только RogersТолько если плата однослойная

🎯Практическое задание~30 мин

Выбери производителя плат, у которого заказываешь (или любой крупный с открытым каталогом). Найди на сайте, какие ВЧ- материалы он предлагает и какие стандартные стеки. Выпиши для FR-4 и одного ВЧ-ламината: Dk и Df на частоте около 2,4 ГГц, толщины, цену или наценку. Для своей платы с радиочастью (или для задания из урока 12.2) реши, какой материал ты бы взял, и объясни решение в двух-трёх предложениях с оценкой потерь.