How to choose transmission line type & dielectric coefficient (DK value) of PCB material?

How to choose transmission line type?
在接觸傳輸線的人，一定常會想，傳輸線到底是放在外層比較好，還是放在內層比較好。
這個章節要討論的是傳輸線到底是放在外層比較好，還是放在內層比較好，實驗組利用微帶線Microstrip line及帶線Stripline，這兩種結構的傳輸線，在傳輸高頻訊號的性能及特性的探討。

首先我們將這兩種傳輸線的特性阻抗，設計為50歐姆，其材料皆使用相同的參數，只單純的去比較兩種傳輸線的特性。

Parameter analysis of different structure by AppCAD
如何計算傳輸線的疊構參數，可以使用AppCAD的軟體，這是一套免費軟體，可以利用下列網址下載到
http://www.hp.woodshot.com/
這套軟體的設定很簡單，它已經將只需要將材料參數、結構參數及頻率輸入，再將特性阻抗調整到目標阻抗即可。下圖為這次實驗的兩種傳輸線，在特性組抗50歐姆的計算結果。

 

將上面AppCAD的軟體的計算結果，導入全波模擬軟體HFSS的參數設定，如下圖所示。
what is HFFSS as below link
http://www.ansys.com/Products/Simulation+Technology/Electronics/Signal+Integrity/ANSYS+HFSS

Return Loss by HFSS results
由下圖結果的可以看到，兩種傳輸線的回返損失(Return loss)，皆低於-20dB，所以接下來觀察的插入損失(Insertion Loss)，可以排除傳輸線反射的因素。
NOTE:當傳輸線的Return loss<-20，幾乎沒有反射的行為，所以所有的能量都進入傳輸線。

Insertion Loss by lossy material by HFSS results
再材料損失loss tangent=0.02的情況下，在10GHz微帶線的損失為-1dB，其帶線的損失為-1.3dB，如下圖所示。

Insertion Loss by lossless material by HFSS results
接下來採用無損的材料參數，由下圖結果可以得到，在10GHz微帶線的損失為-0.1dB，其帶線的損失為-0.17dB，如下圖所示。

Parameter analysis of different structure
下圖為使用等效電路模型，去萃取的結果。
為什麼會使用頻率500MHz去萃取等效電路模型，這是因為傳輸線的長度較長，所以電感電容的自我諧振頻率(SRF)，超過了自我諧振頻率SRF的電感會變成電容性，電容會變電感性，為了避免這個情形產生，所以使用較低的頻率去萃取電感及電容值。

Conclusion
1.首先將兩個比較組的迴返損失優化到-20dB以下，這樣可以去除迴返損失數對實驗的影響，亦可定義比較組在相同情形下比較。
2.實驗結果為微帶線的效能較好，帶狀線效能不佳有可能為板材損耗所影響(由於帶線的疊構為上下皆夾有損的板材)，故在做一個實驗組，使用無損材料，介電系數相同使用4.2，去看是否主要有板材材料損失所造成。
3.使用無損板材，去除材料的損耗的因素，實驗結果一樣為微帶線傳輸效能較好，我們將這兩種個案，轉換成等校電路模型來看，帶狀線的電感電容較大，所以低通濾波的頻率較低，故損耗較大及傳輸時間較慢。
(NOTE:傳輸線本身就是低通濾波器，可以參考微波工程傳輸線等效電路模型。)

How to choose dielectric coefficient (DK value) of PCB material?

另外板材大家都知道，要選低損耗的材料，但應用在傳輸線上面，介電常數要使用高的，還是低的?
下面的實驗可以解釋這些問題。

這裡使用微帶線去做實驗，疊構都使用相同，介電材料使用無損材質，特性組抗也都固定在50歐姆，只改變兩個參數，線寬及介電常數。
(NOTE:在不改變疊構的情況下，高介電常數要達到特性組抗50歐姆，線寬必須比低介電常數的線寬窄。)
下圖為使用AppCAD的軟體，計算出來的結果

接下來將計算的結果，導入到HFSS模擬軟體去模擬。
下圖為HFSS模擬的參數設定。

Return Loss by HFSS results
兩種介電常數的傳輸線的回返損失(Return loss)，皆低於-20dB，所以接下來觀察的插入損失(Insertion Loss)，可以排除傳輸線反射的因數。
NOTE:當傳輸線的Return loss<-20，幾乎沒有反射的行為，所以所有的能量都進入傳輸線。

Insertion Loss by lossless material by HFSS results
兩種介電常數的插入損失，由下圖可以得到低介電常數的插入損失，比高介電常數還要低。
為什麼會有這樣的現象，下面會再萃取等校電路模型就可以了解。

Parameter analysis of different DK value
接下來去萃取等效電路模型，可以看到，不同的介電常數在萃取的電感值差異不大，但高介電常數的電容值，就比低介電常數的值大很多，其原因很簡單，就跟電容公式一樣，當兩電極板的距離一樣，介電常數越高，電容量越大。

Conclusion
1.實驗使用介電系數5與4.2去做傳輸線的性能比較，由實驗結果可以得到介電系數較低，傳輸損耗較小。
2.使用等校電路模型可以得到介電常數越大，其等校電感電容越高，這會導致訊號衰減及傳輸速度較慢。
3.以上所有實驗結果，不代表使用帶狀現或高介電系數的材料不好，他們所造成的訊號損失與訊號延遲是相當小的，這些損失會比你阻抗不匹配所造成的損失還要小很多，帶狀線及高介電系數也有它的高頻優點，其優點如下:
a.帶狀線優點：抗雜訊，低串音。
b.高介電系數材料:可使結構小型化