Диэлектрическая проницаемость и тангенс потерь материалов
Справочная таблица относительной диэлектрической проницаемости и тангенса угла потерь для материалов печатных плат (FR-4, полиимид, PTFE, высокочастотные ламинаты), керамики конденсаторов, пластиков, стекла, жидкостей и газов. Электрическая прочность распространённых изоляторов, влияние ε на волновое сопротивление и скорость сигнала.
Относительная диэлектрическая проницаемость ε показывает, во сколько раз ёмкость конденсатора с данным диэлектриком больше, чем с вакуумом. Ёмкость плоского конденсатора:
C = ε0 ε S / d, ε0 ≈ 8,854 пФ/м.
Тангенс угла потерь tg δ — доля энергии, теряемой в диэлектрике за период; для высокочастотных схем он не менее важен, чем ε. Обе величины зависят от частоты, температуры и влажности, поэтому ниже приведены типичные значения на частотах порядка 1 МГц – 1 ГГц при комнатной температуре. Для расчётов конкретной платы берите данные из документации на материал.
Материалы печатных плат
| Материал | ε | tg δ | Примечание |
|---|---|---|---|
| FR-4 (стеклотекстолит) | 4,2–4,8 | 0,015–0,025 | ε падает с ростом частоты; для расчётов часто берут 4,3–4,5 |
| FR-4 с низкими потерями | 3,6–4,0 | 0,008–0,012 | для цифровых линий в несколько Гбит/с |
| Полиимид (гибкие платы) | 3,2–3,5 | 0,002–0,008 | |
| Углеводородная керамика (класс RO4003) | 3,4–3,6 | 0,002–0,004 | СВЧ, технология как у FR-4 |
| PTFE со стекловолокном | 2,2–2,6 | 0,0009–0,002 | СВЧ-ламинаты |
| PTFE с керамикой | 3–10 | 0,001–0,003 | для миниатюризации СВЧ-узлов |
| Оксид алюминия (поликор, 96–99,5 %) | 9,4–9,9 | 0,0001–0,0005 | тонкоплёночные и гибридные схемы |
| Паяльная маска | 3,3–4,0 | 0,02–0,03 | немного снижает волновое сопротивление микрополоска |
Диэлектрики конденсаторов
| Диэлектрик | ε | Особенности |
|---|---|---|
| Керамика C0G (NP0) | 10–100 | стабильная ёмкость, ТКЕ 0 ± 30 ppm/°C |
| Керамика X7R | 2000–4000 | ±15 % в диапазоне −55…+125 °C, ёмкость падает под напряжением |
| Керамика Y5V | до 18 000 | сильно зависит от температуры и напряжения |
| Полипропилен | 2,2 | очень малые потери, импульсные и звуковые цепи |
| Полиэстер (лавсан, ПЭТ) | 3,2–3,3 | недорогие плёночные конденсаторы |
| Слюда | 5,4–8,7 | стабильные ВЧ-конденсаторы |
| Оксид алюминия (электролиты) | 8–10 | очень тонкий оксидный слой даёт большую ёмкость |
| Оксид тантала | 25–27 | танталовые конденсаторы |
Пластики, стекло и другие материалы
| Материал | ε | tg δ | Электрическая прочность, кВ/мм |
|---|---|---|---|
| Фторопласт (PTFE) | 2,0–2,1 | 0,0002 | 20–60 |
| Полиэтилен | 2,25–2,3 | 0,0003 | 20–40 |
| Полистирол | 2,5–2,6 | 0,0003 | 20–30 |
| Поликарбонат | 2,9–3,0 | 0,001–0,01 | 15–30 |
| Поливинилхлорид (ПВХ) | 3–5 | 0,02–0,1 | 15–40 |
| Резина | 2,5–4 | 0,005–0,02 | 15–25 |
| Бумага сухая | 2–3,5 | ≈ 0,01 | 5–10 |
| Стекло (натриево-кальциевое) | 6–8 | 0,005–0,01 | 10–40 |
| Кварцевое стекло | 3,8 | 0,0001 | 25–40 |
| Фарфор | 5–7 | 0,01–0,02 | 10–20 |
| Трансформаторное масло | 2,2–2,4 | 0,001–0,005 | 15–25 |
| Дерево сухое | 2–6 | 0,01–0,1 | — |
Жидкости и газы
| Вещество | ε |
|---|---|
| Вакуум | 1 (точно) |
| Воздух (нормальные условия) | 1,0006 |
| Бензин | ≈ 2 |
| Лёд (низкие частоты) | ≈ 90 |
| Лёд (СВЧ) | 3,2 |
| Спирт этиловый | 24–25 |
| Глицерин | 42 |
| Вода при 20 °C (до сотен МГц) | 80 |
Электрическая прочность сухого воздуха — около 3 кВ/мм для промежутков порядка сантиметра; на малых зазорах, на острых кромках и во влажном воздухе пробой наступает при меньшей напряжённости. Большая проницаемость воды объясняет, почему влага так сильно меняет ёмкость и потери изоляции и почему на неё реагируют ёмкостные датчики влажности.
Как ε влияет на линии передачи
- Скорость сигнала в линии с диэлектриком v = c/√εэфф. В полосковой линии внутри FR-4 (ε ≈ 4,3) сигнал проходит около 14,5 см за наносекунду — вдвое медленнее, чем в вакууме.
- Волновое сопротивление уменьшается примерно пропорционально 1/√εэфф. У микрополосковой линии часть поля проходит в воздухе, поэтому εэфф меньше ε подложки (для FR-4 обычно 3,0–3,4).
- Потери в диэлектрике растут пропорционально частоте и tg δ, поэтому на гигагерцах FR-4 уступает специальным ламинатам.
Рассчитать волновое сопротивление микрополосковой и полосковой линии можно в калькуляторе волнового сопротивления дорожки.
Комментарии и вопросы