聊一聊介电常数

介电常数是我们作为射频工程师经常碰到的参数，所以今天就来聊一聊它。

如果一种材料能储存能量，就可以被称之为介电质。而介电常数是介电质材料的一个参数。

比如说，电容可以存储电荷，而当电容平板中间填充有介质时，存储的电荷会更多。介电常数越大，储存的电荷就越多。

一般微带电路，比如天线，其尺寸与波长相关。PCB的介电常数越高，其对应的波长就越短，所以当要设计小型化天线时，首先想到的就是采用高介电常数的材料。

这里强调一下，介电常数其实是一个复数。实部，是衡量介质材料存储来自外部电场的能量的能力；虚部称为损耗因子，是衡量材料对外部电场的耗散。

将虚部与实部的比值定义为损耗角正切。

一般器件手册上，给的介电常数的值，其实是指他的实部。但是不要忘了，损耗角正切其实是在表征介电常数的虚部。

那介电常数是不是不变的呢？

答案是NO。

从上面截取的PCB板材手册就可以看出，在给出介电常数和损耗因子值的时候，右侧都有对应的测试条件，分别是频率/温度。

所以喽，材料的介电常数不是个恒量，会受频率和环境的影响。

而且，从手册上可以看出，厂商推荐的设计值和测量值不一样。

什么是设计值？就是你用HFSS等三维电磁场仿真软件仿真时，材料的介电常数的设置值。不过，这种设计值，目前也只在rogers公司的手册上会看到。专业的就是不一样。

Rogers的一篇文档上是这样说的：

These are Dk values that can be used reliably and accurately within commercial computer-aided-engineering (CAE) software tools. The Design Dk values are measured by yet other measurement techniques, the differential phase length method.

意思就是，你仿真的时候，可以放心大胆的用。

除了频率和温度，铜的表面粗糙度也会对介电常数产生影响。

介质材料中存在多种极化效应，包括离子导电、偶极极化、原子极化和电子极化。这些都会对介质的介电常数产生影响。

当原子互相结合成为分子时，在最外层的电子便会由一原子移至另一原子或成为彼此共享的电子。电子的这种重新排列可能会导致电荷分布不平衡，从而产生永久偶极矩。在没有电场时，这些的方向是随机的，不存在极化。但当外部加有电场， 电场 E 将在电偶极子上施加扭矩 T，使偶极子旋转与电场对齐，从而导致定向极化发生。如果场改变方向，扭矩也会改变。

这种取向变化时产生的摩擦会产生介电损耗；在微波频段，这种极化方式会导致介电常数的实部和虚部均发生变化。

比如，水就是极易发生取向极化的物质。

微波炉之所以能加热食物，就是因为食物中有水，电磁场穿过水，使水分子发生取向极化；电磁场方向变化时，水分子取向变化时的摩擦产生热量，使食物变热。

对于真正均匀的介质，例如真空，介电常数是一致。

但是大多数PCB材料是由不同材料组成的复合材料，每种材料都有自己的Dk值。当外加电场时，这些材料中会有不同的极化特性。所以很难真正定义高频 PCB 材料的 Dk 行为，进行高频电路设计时，只能将其数据表中 Dk 值视为近似值以作为参考。

审核编辑：刘清