PCB 板材介電常數量測
本文介紹以穿透、反射、傳輸線（TRL）校正及四分之一波長共振結構，分析 PCB 傳輸線與板材的介電特性。圖表保留原技術案例的量測數據；材料與結構不同時，不能直接套用其數值。
量測目的
圖 1：TRL 量測結構
高速與射頻 PCB 的阻抗和傳播延遲，會受到材料與幾何尺寸影響。量測時需指定頻率、板厚、線寬及防焊層條件。
TRL 使用穿透、反射及不同長度的傳輸線標準，校正量測參考面。
四分之一波長共振法可在特定共振頻率取得另一組估算。比較方法時應使用相同板材、幾何條件和參考面，並區分有無防焊層。
有效介電常數影響傳播速度與單位長度延遲。若需分析介質損耗，還須區分導體、介質與輻射等損耗來源，不能僅由單一共振頻率推得所有損耗。
TRL 校正與傳输線量測
下表保留原案例的線段長度與適用頻帶。寬頻量測需選用合適的 LINE 標準；實際校正頻帶取決於相位差及標準的特性，不能只依長度判定。
表 1：原案例的傳輸線標準與頻帶
| Min | Max | Delay | Line Length | |
| 1 | 100MHz | 500MHz | 832.7PS | 5380.6mil |
| 2 | 500MHz | 2.5GHz | 166.5PS | 1074.6mil |
| 3 | 2.5GHz | 12.5GHz | 33.3PS | 212.2mil |
| Thru | 100MHz | 12.5GHz | 0 | 1000mil |
| Ref | 100MHz | 12.5GHz | 0 | 500mil |
校正後參數處理
完成校正後，量測各線段的 S 參數，依結構模型分析傳播常數與有效介電常數。下列圖式為原頁保留的推導關係。
有效介電常數與材料參數
下式為原案例在 W/H ≤ 1 條件下使用的關係。使用其他幾何比例時，需確認模型適用範圍。
W 為線寬，H 為介質厚度。下圖保留原案例的參數推導；使用時需核對符號、單位及損耗假設。
四分之一波長共振法
開路傳輸線結構可產生共振響應。由量測的 S21 曲線辨識共振頻率與頻寬，再配合線段實際長度及模型進行估算。
LE 表示開路端邊緣電場所對應的等效長度修正。下列圖式列出原案例採用的關係。
開路傳輸線的尺寸與結果
表 2 列出原案例對應各頻率的開路線段長度。
量測結果的比較方式
原案例比較 FR4 板材在有防焊層與無防焊層時的量測結果。以下為特定樣品數據，不代表所有 FR4 材料的規格或可用頻率上限。
表 2：四分之一波長結構的原案例尺寸
| 500MHz | 800MHz | 1GHz | 1.2GHz | |
| Length | 3227.8mil | 2016.7mil | 1613mil | 1343.8mil |
| 1.4GHz | 1.75GHz | 2GHz | 3GHz | |
| Length | 1151.5mil | 920.7mil | 805.3mil | 535.9mil |
| 4GHz | 5GHz | 6GHz | 12GHz | |
| Length | 401.1mil | 320.2mil | 266.2mil | 131mil |
TRL 結果
圖 3 保留原案例的介電參數曲線。表面微帶線的電場分布會受到防焊層影響；比較時應先確認是在討論材料介電常數，還是傳輸線的有效介電常數。
防焊層與共振響應
四分之一波長共振結果
圖 4、圖 5 分別顯示原案例有防焊層與無防焊層的 S21 響應。兩者共振頻率不同；應配合相同的結構模型解讀，而不能把單一曲線差異直接視為所有板材的普遍規律。
TRL 與四分之一波長法的數據比較
下表保留兩種方法的原量測數值。這些結果用於比較此案例的兩種量測方式；新設計仍需建立自己的量測誤差與適用條件。
| 頻率 | TRL：無防焊層 | 四分之一波長法：無防焊層 |
| 500MHz | 4.563569793 | 4.6269 |
| 800MHz | 4.52460696 | 4.47671 |
| 1GHz | 4.478683879 | 4.4871 |
| 1.2GHz | 4.44533313 | 4.46573 |
| 1.4GHz | 4.443489447 | 4.45849 |
| 1.75GHz | 4.449257736 | 4.44041 |
| 2GHz | 4.460136132 | 4.43124 |
| 3GHz | 4.476158641 | 4.42281 |
表 4：有防焊層時的兩種方法比較
| 頻率 | TRL：有防焊層 | 四分之一波長法：有防焊層 |
| 500MHz | 4.39673908 | 4.40486 |
| 800MHz | 4.37175961 | 4.39343 |
| 1GHz | 4.349495355 | 4.34358 |
| 1.2GHz | 4.332864289 | 4.34106 |
| 1.4GHz | 4.322538741 | 4.31519 |
| 1.75GHz | 4.29716647 | 4.30442 |
| 2GHz | 4.289394373 | 4.29034 |
| 3GHz | 4.272297151 | 4.2624 |
設計上的使用方式
控制 PCB 阻抗與訊號完整性時，應同時確認板材、疊構、線寬、銅厚、防焊層及工作頻率。保留完整的量測條件，並以實際製板與量測結果驗證設計。
圖 6：原案例四分之一波長法的介電參數、頻率與防焊層比較
