matlab-manage-pcb-material

管理 RF PCB Toolbox 的材料

适用场景

• 为传输线、滤波器、耦合器或自定义 pcbComponent 设计创建介电基板
• 选择金属（铜、金等），以便逼真地模拟导体损耗
• 为带状线或嵌入式设计构建多层介电叠层
• 为宽带精度选择与频率相关的色散模型（DjordjevicSarkar）
• 查询目录材料属性或添加自定义材料

不适用场景

• 构建 PCB 本身的层结构——请使用 matlab-assemble-pcb-layout
• 定义材料后运行 EM 分析——请使用 matlab-analyze-em
• 设计需要基板的传输线——请使用 matlab-design-pcb-transmission-line（该工具会引用此技能获取材料详情）
• 从现有电路板文件导入材料属性——请使用 matlab-read-pcb-layout

典型工作流

1. 此技能： 定义基板、导体和叠层——通常是任何 RF PCB 设计的第一步
2. 之后： 使用任何设计技能（matlab-design-pcb-filter、matlab-design-pcb-transmission-line、matlab-assemble-pcb-layout、matlab-model-via）——将材料传递给组件

快速参考

任务	代码
目录介电材料	sub = dielectric("FR4")
自定义介电材料	sub = dielectric(Name="MyMat", EpsilonR=4.4, LossTangent=0.02, Thickness=1.6e-3)
多层介电材料	sub = dielectric("FR4","Teflon"); sub.Thickness = [0.8e-3 0.4e-3]
目录金属	cond = metal("Copper")
自定义金属	cond = metal(Name="MyMetal", Conductivity=5.8e7, Thickness=35e-6)
浏览介电材料	DielectricCatalog
浏览金属	MetalCatalog
与频率相关	sub = dielectric(..., Frequency=1e9)
获取指定频率下的属性	[epsr, tand, f] = getMaterialProperties(sub, freqVector)

创建介电材料

dielectric 对象用于定义基板属性。可从内置目录创建，也可指定自定义参数。

从目录创建

sub = dielectric("FR4");
sub = dielectric("Teflon");
sub = dielectric("RO4730JXR");
sub = dielectric("TMM10");

查看目录中的所有名称：

dc = DielectricCatalog;
disp(dc.Materials)

可用目录名称（R2026a）：Air、FR4、Teflon、Foam、Polystyrene、Plexiglas、Fused quartz、E glass、RO4725JXR、RO4730JXR、TMM3、TMM4、TMM6、TMM10、TMM10i、Taconic RF-35。如果列表中没有所需材料，可使用 add(dc, ...) 添加自定义材料。

自定义属性

sub = dielectric(Name="Rogers4350B", EpsilonR=3.66, LossTangent=0.0037, Thickness=0.508e-3);

主要属性

属性	说明	单位
Name	材料标识符	字符串
EpsilonR	相对介电常数	无量纲
LossTangent	介电损耗角正切（tan δ）	无量纲
Thickness	层厚度	米
Frequency	损耗角正切的参考频率	Hz
FrequencyModel	'Constant'、'DjordjevicSarkar'、'MeanDjordjevicSarkar' 或 'TableDriven'	—

浏览目录

dc = DielectricCatalog;
open(dc)               % Opens interactive catalog viewer
disp(dc.Materials)     % List all materials as a table
s = find(dc, "FR4");   % Returns struct with Name, Relative_Permittivity, Loss_Tangent, Frequency, Comments

创建金属

metal 对象用于定义导体属性。

从目录创建

cond = metal("Copper");       % Conductivity=5.96e7, Thickness=35.56e-6 (1 oz)
cond = metal("Aluminium");    % Conductivity=3.77e7, Thickness=762e-6
cond = metal("Gold");         % Conductivity=4.11e7, Thickness=0.2e-6

可用目录金属（R2026a）：PEC、Copper、Aluminium、Gold、Silver、Zinc、Tungsten、Lead、Iron、Steel、Brass。

自定义属性

cond = metal(Name="ThickCopper", Conductivity=5.8e7, Thickness=70e-6);

浏览目录

mc = MetalCatalog;
open(mc)                    % Opens interactive catalog viewer
disp(mc.Materials)          % List all metals as a table
s = find(mc, "Aluminium");  % Returns struct with Name, Conductivity, Thickness, Units, Comments

分配给组件

mline = microstripLine;
mline.Conductor = metal("Copper");

多层基板

许多 RF PCB 组件支持多层介电叠层。传入多个材料名称，或使用向量属性。

简写语法（目录名称）

sub = dielectric("FR4", "Teflon");
sub.Thickness = [0.0016 0.0008];

显式指定多层结构

sub = dielectric(Name={"FR4","Foam","FR4"}, ...
    EpsilonR=[4.4 1.05 4.4], ...
    LossTangent=[0.02 0.001 0.02], ...
    Thickness=[0.4e-3 0.8e-3 0.4e-3]);

重要： Name 请使用元胞数组 {...}，不要使用字符串数组 [...]。字符串数组拼接（["FR4","Foam"]）会生成单个字符串 "FR4Foam"，而不是包含多个元素的数组。

分配给组件

balun = balunMarchand;
balun.Height = 0.0016;
balun.Substrate = sub;
show(balun);

所有具有 Substrate 或 Height 属性的目录组件（传输线、滤波器、耦合器、分路器等）均支持多层基板。

pcbComponent 中的介质

使用 pcbComponent 构建自定义结构时，介质会作为层出现在 Layers 元胞数组中：

pcb = pcbComponent;
substrate = dielectric("RO4730JXR");
substrate.Thickness = 1.52e-3;
ground = traceRectangular(Length=20e-3, Width=10e-3);

pcb.BoardThickness = substrate.Thickness;
pcb.Layers = {signalTrace, substrate, ground};

对于多介质 pcbComponent 堆叠（5 层）：

sub1 = dielectric(Name="FR4", EpsilonR=4.4, LossTangent=0.02, Thickness=0.8e-3);
sub2 = dielectric(Name="FR4", EpsilonR=4.4, LossTangent=0.02, Thickness=0.8e-3);

pcb.BoardThickness = sub1.Thickness + sub2.Thickness;
pcb.Layers = {topTrace, sub1, groundPlane, sub2, bottomTrace};

频率相关损耗模型

为实现精确的宽带建模，请为损耗角正切指定参考频率：

sub = dielectric(Name="FR4", EpsilonR=4.4, LossTangent=0.02, ...
    Thickness=1.6e-3, Frequency=1e9);

指定 Frequency 后，FrequencyModel 属性会自动变为 'DjordjevicSarkar'。该因果模型会在整个分析带宽内外推介电常数和损耗角正切，从而确保结果符合物理规律。如果未指定 Frequency，模型将使用 'Constant'（与频率无关）。

可用的色散模型：

• "Constant" ——（默认）介电常数和损耗角正切与频率无关
• "DjordjevicSarkar" —— 宽带因果模型，最适合 PCB 基板
• "MeanDjordjevicSarkar" —— DjordjevicSarkar 的平均版本
• "TableDriven" —— 用户提供的厂商数据手册中的频率相关数据

频率模型选择指南

频率范围	推荐模型	用途
DC — 1 GHz	Constant（默认）	低频、快速估算
1 — 40 GHz	DjordjevicSarkar	大多数 RF PCB 设计、FR4/Rogers
厂商提供宽带数据	TableDriven	导入制造商提供的介电常数随频率变化曲线
宽带模型拟合	MeanDjordjevicSarkar	用于宽带扫描的平均因果模型

查询感知色散的属性

使用 getMaterialProperties() 计算特定频率下的介电常数和损耗角正切，并考虑当前启用的色散模型：

sub = dielectric("FR4");
sub.FrequencyModel = "DjordjevicSarkar";
sub.Frequency = 1e9;

% Get properties across a frequency sweep
freq = linspace(1e8, 10e9, 100);
[epsr, tand, f] = getMaterialProperties(sub, freq);

% Plot frequency-dependent permittivity
plot(f/1e9, epsr);
xlabel("Frequency (GHz)"); ylabel("\epsilon_r");
title("FR4 Permittivity (DjordjevicSarkar)");

常见材料参数

介质目录值（R2026a）

材料	EpsilonR	LossTangent	频率（Hz）	备注
FR4	4.8	0.026	1e8	标准 PCB
Teflon	2.1	0.0002	1e8	低损耗 PTFE
Foam	1.03	0.00015	5e7	类似空气的间隔层
RO4725JXR	2.55	0.0022	2.5e9	Rogers，无卤
RO4730JXR	3.0	0.0023	2.5e9	Rogers，无卤
TMM10	9.8	0.0022	1e10	陶瓷填充 PTFE
Taconic RF-35	3.5	0.0018	1.9e9	低损耗 RF

目录中未包含、必须手动创建的材料：

sub = dielectric(Name="RO4003C", EpsilonR=3.38, LossTangent=0.0027, Thickness=0.508e-3);
sub = dielectric(Name="RO4350B", EpsilonR=3.66, LossTangent=0.0037, Thickness=0.508e-3);

金属目录值（R2026a）

金属	电导率（S/m）	目录厚度	备注
PEC	Inf	0	理想导体（默认）
Copper	5.96e7	35.56 μm（1.4 mil，1 oz）	最常见
Aluminium	3.77e7	762 μm（30 mil）
Gold	4.11e7	0.2 μm	镀层
Silver	6.3e7	0.2 μm	电导率最高

注意事项

1. 先设置 BoardThickness，再设置 Layers：pcbComponent.BoardThickness 必须等于所有介质厚度之和。始终先设置 BoardThickness，再设置 Layers——反过来设置会触发警告，并静默覆盖介质厚度。

2. 默认导体为 PEC：如果不指定 Conductor，组件会使用理想电导体（无损）。要真实模拟损耗，务必指定 metal("Copper")。

3. 目录中没有大多数 Rogers 材料：DielectricCatalog 中只有 RO4725JXR 和 RO4730JXR。RO4003C、RO4350B 和 RO3003 等常见基板必须根据数据手册中的数值手动创建。调用 dielectric("RO4003C") 会报错。

4. 多层结构的 Thickness 必须与元素数量一致：使用向量形式的 Thickness 时，元素数量必须与名称或 EpsilonR 值的数量相等。长度不匹配会报错。

5. 单位始终为 SI 单位：厚度以米为单位（不是 mm 或 mil）。1.6 mm 的电路板应写为 1.6e-3，而不是 1.6。

6. FrequencyModel 可以在设计完成后设置。 design() 使用默认的常数介质创建组件后，可以切换为 DjordjevicSarkar：obj.Substrate.FrequencyModel = 'DjordjevicSarkar'; obj.Substrate.Frequency = 1e9;。当设计步骤不接受频率相关基板时，这种方法很有用。

7. 命名的目录介质为单层介质：dielectric("FR4") 会创建一个具有固定目录属性的 1 层对象。对于多层 pcbComponent 叠层，请为每一层分别创建未命名的 dielectric 对象，并明确指定 EpsilonR、LossTangent 和标量 Thickness。如果需要在 Layers 单元格数组中控制每层厚度，请勿使用命名的目录条目。

8. viaSingleEnded 的介质层数：为 viaSingleEnded 构建多层基板时，介质层数必须等于叠层中导电层数 N-1（例如，Signal=[1 5]、Ground=[3 7] → 4 个金属层 → 3 个介质层）。使用 viaSingleEnded(N) 构造函数时，会自动添加阻焊层——具体要求请参阅 matlab-model-via 的注意事项 #17。所有介质属性数组（Name、EpsilonR、LossTangent、Thickness、Frequency）的大小都必须一致。

相关技能

• matlab-assemble-pcb-layout — 在自定义 pcbComponent 结构中使用材料
• matlab-analyze-em — 材料属性如何影响求解器精度
• matlab-design-pcb-transmission-line — 用于阻抗控制的基板选择

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