傳輸線損耗產(chǎn)生的原因有幾種?

我夢中的信號通道是無損傳輸線，有一天它會(huì)身披光滑銅箔，腳踏“無損”板材來搭救我的高速信號。夢想很豐滿，現(xiàn)實(shí)卻很骨感，“無損”板材和表面粗糙度為零的絕對光滑銅箔在工程應(yīng)用中并不存在，所以，殘酷的現(xiàn)實(shí)是“損耗易把能量拋，緩了邊沿，降了眼高”。

信號在傳播過程中的能量損失不可避免，傳輸線損耗產(chǎn)生的原因有以下幾種：導(dǎo)體損耗，導(dǎo)線的電阻在交流情況下隨頻率變化，隨著頻率升高，電流由于趨膚效應(yīng)集中在導(dǎo)體表面，受到的阻抗增大，同時(shí)，銅箔表面的粗糙度也會(huì)加劇導(dǎo)體損耗；介質(zhì)損耗，源于介質(zhì)的極化，交流電場使介質(zhì)中電偶極子極化方向不斷變化，消耗能量；耦合到鄰近走線，主要指串?dāng)_，造成信號自身衰減的同時(shí)對鄰近信號帶來干擾；阻抗不連續(xù)，反射也會(huì)導(dǎo)致傳輸?shù)男盘枔p失部分能量；對外輻射，輻射引起的信號衰減相對較小，但是會(huì)帶來EMI問題。其中，介質(zhì)損耗和導(dǎo)體損耗是傳輸線上信號衰減的根本原因，也是本文介紹的重點(diǎn)。

想要搞清楚導(dǎo)體損耗，需要理解趨膚效應(yīng)及導(dǎo)體表面粗糙度產(chǎn)生的影響。高頻電流流過導(dǎo)體時(shí)，電流會(huì)趨向?qū)w表面分布，頻率越高，靠近導(dǎo)體表面的電流密度越大，這種現(xiàn)象稱為趨膚效應(yīng)（如下圖所示，導(dǎo)體上顏色越淺代表電流密度越大）。

趨膚效應(yīng)

從電磁場的角度理解趨膚效應(yīng)頗費(fèi)周折，而從阻抗的角度分析，會(huì)令你豁然開朗，趨膚效應(yīng)可以認(rèn)為是電流尋求最低阻抗路徑的趨勢造成的，在高頻時(shí)，路徑阻抗主要由回路電感決定，為尋找回路電感最低路徑，電流在導(dǎo)線上的分布會(huì)盡量伸展開以減少導(dǎo)線自感（可解釋寬走線有利于減少傳輸線的損耗），同時(shí)，返回路徑中的反向電流會(huì)盡量靠近信號路徑表面以減小回路電感。電磁波強(qiáng)度衰減到表面場強(qiáng)1/e的深度稱為趨膚深度，高頻時(shí)，銅導(dǎo)線中電流經(jīng)過的趨膚深度δ計(jì)算公式如下：

隨著信號速率的增加，趨膚深度減小，意味著過流面積的減小，交流電阻增加。雪上加霜的是，實(shí)際的導(dǎo)體表面并非絕對光滑，而是具有一定的粗糙度。而且在PCB加工過程中，為增加銅箔與板材的結(jié)合能力，還會(huì)進(jìn)行粗化處理，進(jìn)一步加劇了導(dǎo)體損耗。通過微觀切片所看到的PCB走線的截面結(jié)構(gòu)如下圖示，不難看出，信號線的表面是非常粗糙的。

當(dāng)趨膚效應(yīng)遇上粗糙的表面，等待高速信號的將是“摩擦摩擦，似魔鬼的步伐”。

讓人頭大的是，粗糙的銅箔不像粗糙的嘴唇，一支唇膏就能搞定。

為了滿足信號損耗的需求，需要根據(jù)實(shí)際情況選擇不同表面粗糙度的銅箔，以此為劃分標(biāo)準(zhǔn)，銅箔可以分為STD(標(biāo)準(zhǔn)銅箔)、RTF(反轉(zhuǎn)銅箔)、VLP(低表面粗糙度銅箔)以及HVLP(超低表面粗糙度銅箔)。

明白了導(dǎo)體損耗產(chǎn)生的原因，也就不難理解高速信號疊層設(shè)計(jì)時(shí)為何會(huì)選擇表面粗糙度較低的銅箔了。如下圖所示，相同材料不同的銅箔類型損耗曲線對比。從仿真結(jié)果可以看出在5GHz以下銅箔的影響不是太明顯，但在5GHz以上銅箔的影響開始越來越大，所以我們在高速信號(尤其>10Gbps)的設(shè)計(jì)和仿真中需要關(guān)注銅箔表面粗糙度的影響。

講完導(dǎo)體損耗，再來聊聊介質(zhì)損耗。構(gòu)成板材的玻纖和樹脂等絕緣材料介質(zhì)中的帶電粒子被束縛在分子中，外加電場會(huì)使其產(chǎn)生微觀位移，使介質(zhì)中的偶極子隨電場方向規(guī)則排列，這種現(xiàn)象稱為介質(zhì)的極化，極化過程產(chǎn)生的能量損失稱為介質(zhì)損耗。介質(zhì)損耗同樣會(huì)造成高速信號的衰減。

需要注意的是，區(qū)別介質(zhì)的相對介電常數(shù)（Dk）與耗散因子（Df）的概念。相對介電常數(shù)描述了材料影響電容量和電磁波傳播速度的系數(shù)度量，涉及偶極子與電場的不同相運(yùn)動(dòng)并引起電容變化；耗散因子（Df）則描述了參與運(yùn)動(dòng)的偶極子數(shù)量及運(yùn)動(dòng)劇烈程度隨頻率提高的系數(shù)度量，涉及偶極子與電場的同相運(yùn)動(dòng)并引起損耗。介質(zhì)損耗與Dk和Df有直接關(guān)系，Dk/Df越?。ǚ€(wěn)定），損耗也越小（穩(wěn)定），合理穩(wěn)定的介質(zhì)參數(shù)可以在工程應(yīng)用上更好的控制產(chǎn)品的性能。

為了能讓大家對于介質(zhì)損耗有個(gè)直觀印象，不妨看個(gè)例子。同樣的12inch線長，使用不同損耗級別的材料所測得的損耗曲線如下圖示，在10GHz的頻點(diǎn)，普通FR4(普通損耗級別)的損耗為-15dB，而如果使用TU（低損耗級別）的損耗僅-7.5dB，如果有高速信號要求插損在10GHz的時(shí)候需要小于-12dB，那么使用普通FR4的材料就不能滿足要求，必須使用損耗級別更低的材料。

導(dǎo)體損耗及介質(zhì)損耗會(huì)影響高速信號電氣性能，了解傳輸線損耗理論有助于我們在疊層設(shè)計(jì)時(shí)根據(jù)損耗要求，結(jié)合信號的速率及走線預(yù)估長度進(jìn)行綜合評估，選擇合適的板材和銅箔類型。