信号完整性的介电常数有哪几种？

7.1

介电常数

导体之间的绝缘材料会增加它们之间的电容量，引起电容增大的这一材料特性称为相对介电常数，通常用ε_r来表示。

另外，也使用缩写Dk表示材料的介电常数。它是相对于空气介电常数（其值设为1）的倍数。作为一个比值，它没有单位。通常都会省略“相对”这个词，简称为介电常数。

介电常数是绝缘材料的固有特性，一小块环氧树脂和一大块环氧树脂的介电常数是相同的。绝缘材料介电常数的度量方法是：比较一对导体被空气包围时的电容量C_0和被绝缘材料包围时的电容量C，定义如下：

介电常数越大，导体之间的电容量的增加就越大。如果在导体周围的空间中均匀填充绝缘材料，那么介电常数使得导体之间的电容量增大，这与导体的形状（无论其形状像平行板、 双圆杆，还是邻近宽平面的一条线）完全无关。

FR4的介电常数的具体值与环氧树脂和玻璃的相对含量有关。介电常数有时随频率而变化，例如从1kHz到10MHz, FR4的介电常数就从4.8变化到4.4，然而从1GHz到10GHz, FR4的介电常数就非常稳定。为了消除不确定因素，有必要指明测量介电常数时的频率。

7.2

等效介电常数

导体之间绝缘材料的存在，使其电容量比导体之间没有介质材料时增大了。若导体之间及导体周围的绝缘材料是均匀分布的，如带状线，则材料使电容量增大的系数等于该材料的介电常数。

但是，在微带线中，一些电力线穿过空气，另一些穿过叠层介质，空气和部分填充介质的组合就产生了“有效介电常数”。与填充材料后的电容量与以空气为介质时电容量的比值类似，等效介电常数也是导体之间填充材料（无论材料如何分布）后的电容量与导体之间及其周围仅有空气时电容量的比值。

使用二维场求解器可准确地计算出这两种情况下的电容，这一工具也是准确计算传输线等效介电常数的唯一方法。等效介电常数是非常重要的性能参数，因为它直接决定了传输线中的信号速度。

叠层材料的固有介电常数是不会变化的，只是当导体之间的场穿过不同比例的空气和介质时，才会造成电容的变化。因此，表层走线“感受”到的介电常数必然是空气和介质的某种平均。

7.3

复介电常数

介质极化反映的也是介质的一种电特性，因此可以在介电常数中反映出极化的影响。复相对介电常数可表示为：

其中ε_r=ε’/ε_0 即为相对介电常数，ε’’/ε‘ 称为损耗因子，用角度δ的正切tan(δ)形式表示，角度δ称为损耗角。复介电常数虚部和实部的比值刚好是δ的正切，极化损耗越大，损耗角正切越大。

工程中常常把 ε’/ε_0 用符号Dk表示，而把tan(δ) = ε’’/ε‘ 用符号Df 表示，这样复相对介电常数表示为：

E_r= Dk (1 - j • Df)

Dk反映了介质固有的影响电容的特性，Df反映了介质由于极化产生损耗的特性。加工PCB的板材特性一般都是以Dk和Df方式给出，Dk值越大，同样横截面的传输线单位长度电容也就越大，要控制阻抗就必须使用更厚的层叠，Df越大，介质损耗就越大，意味着信号会有更大的衰减。