PCB設計人員通常會忽略的PCB基板材料的一個方面是基板介電常數對PCB中信號完整性的影響。色散存在于任何材料中，這會使數字信號失真，尤其是在設備以非常高的速度切換時。設計人員在為其下一個設備選擇合適的基板時，需要在成本，性能和其他材料特性之間進行權衡。

您應該使用高k或低k PCB基板材料嗎？

回答這個問題實際上是在考慮介電常數和其他PCB基板材料屬性之間的折衷。一些PCB基板材料（例如Rogers高速層壓板或其他陶瓷材料）具有更理想的光學特性，但成本更高。這些其他材料在制造過程中可能更難以使用，因此它們也帶來更高的制造成本。某些PCB基板材料更適合與RF電路和組件配合使用，并且可能是在極高速度和高頻下運行的關鍵任務應用的最佳選擇。

雖然我們通常考慮介電常數的虛部，但從布局的角度來看，實部（即折射率）也很重要。介電常數的實部決定電磁波在材料中傳播的速度，而虛部則決定電磁波在材料中傳播的增益或損耗。就PCB設計而言，介電常數和走線幾何形狀將決定信號如何沿走線傳播。

標準FR4基板的介電常數約為4.5，盡管基板中使用的編織圖案會影響介電常數的精確值。陶瓷填充的PTFE基板的介電常數可以從?3調整到?10，并且通過使用不同的填料和粘結材料可以將損耗降低一個數量級。調整對PCB基板材料中的分散性的影響各不相同，盡管最好的材料制造商將掌握這些數據以供設計人員使用。

實際部分：傳播延遲和阻抗

如果您記得物理學上的101類，那么您就會知道折射率（即介電常數的實部的平方根）決定了電磁波在材料中傳播的速度。跡線上的信號速度取決于有效介電常數，該有效介電常數由跡線的幾何形狀和PCB基板材料的介電常數確定。

注意，對于給定的基板材料，帶狀線的有效介電常數將大于微帶線。如果查看微帶線和帶狀線的阻抗方程式，則意味著在特征阻抗計算中不應包括介電常數的虛部。相反，阻抗僅由基板介電常數的實部和走線幾何形狀確定。

走線上的信號速度會影響到傳輸線行為的轉變。跡線越長，信號的傳播時間就越長。考慮傳輸線效應以及阻抗匹配和端接要求的關鍵閾值是傳播延遲大于信號上升時間的?35％。

虛部：損耗正切，寄生和損耗

介電常數的虛部（也稱為耗散因數或損耗角正切）決定了信號在走線時的損耗。總體上，帶電磁波的走線有三種主要的損耗來源：

l介電損耗：這是由于PCB基板材料中感應極化波的大小和相位而引起的。這與介電常數的虛部有關，虛部與襯底的電導率成比例。

l跡線中的電阻加熱：由于跡線中的薄層電阻，一些電磁能被轉換為熱量。注意，由于集膚效應，在高頻下，跡線的薄層電阻可能會很大。

l寄生：基板具有一些殘余電導，這允許信號中的某些電流流向返回線。襯底介電常數的實部也決定了寄生電容。這兩個術語共同確定損耗正切。

通常不考慮的其他三個損失來源是：

l插入損耗：這在傳輸線中很重要，與特性阻抗，信號頻率，走線幾何形狀和有效介電常數有關。

l輻射損耗：任何振蕩電流都會發射電磁波，從而將能量帶離電路。

l導體的粗糙度：電磁場將集中在導體的粗糙邊緣附近，從而導致這些區域的電阻損耗更大。

PCB中走線的傳輸線模型和阻抗模型通常會省略介電常數的虛部，但是走線的幾何形狀和嵌入PCB基板材料中的幾何形狀會通過更改有效介電常數（實部和虛部）來影響損耗。

微帶上的信號比帶狀線上的信號損耗更低，因為帶狀線跡線被電介質包圍。這是因為該波部分通過導線周圍的電介質行進，并且會遭受基板的電介質損耗。由于導體與PCB基板材料之間的界面處的連續性，這些波將耦合回到跡線中，這決定了信號沿導體導引時的損耗。當與電阻加熱一起考慮時，這解決了上面的前兩點。

當與介電常數的實部一起考慮時，分別與實部和虛部相關的襯底的寄生電容和電導率確定損耗角正切。可以用以下公式來總結：

?

最初可以得出的結論是，生產出的體積較小且必須在非常高的速度或頻率下保持信號完整性的設備應使用損耗較低的材料。從傳播延遲的角度來看，使用較低的介電常數是有益的，盡管它會對PCB中走線和傳輸線的特征阻抗產生混合影響。需要仔細建模才能確定下一個高速或高頻系統介電常數的實部和虛部的可接受范圍。

隨著設計變得更加復雜，并正確地建模PCB基板材料的介電常數，診斷信號完整性問題可能會非常棘手。強大的信號完整性和功率完整性工具在Sigrity的寬帶SPICE包為設計者提供了他們需要診斷介電常數對信號完整性的高速和高頻系統的影響的工具。這種獨特的工具考慮了用于各種電路分析的一系列IC封裝。