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学习笔记之传输线损耗

作者:登录 时间:2021-11-13 00:06
本文摘要:我梦中的信号地下通道是可用传输线,有一天它不会头戴平滑铜箔,踩“可用”板材来救下我的高速信号。梦想很甜美,现实却很骨感,“可用”板材和表面粗糙度为零的意味著平滑铜箔在工程应用于中并不不存在,所以,残忍的现实是“损耗不易把能量抛,急了边沿,叛了眼低”。

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我梦中的信号地下通道是可用传输线,有一天它不会头戴平滑铜箔,踩“可用”板材来救下我的高速信号。梦想很甜美,现实却很骨感,“可用”板材和表面粗糙度为零的意味著平滑铜箔在工程应用于中并不不存在,所以,残忍的现实是“损耗不易把能量抛,急了边沿,叛了眼低”。

信号在传播过程中的能量损失不可避免,传输线损耗产生的原因有以下几种:导体损耗,导线的电阻在交流情况下随频率变化,随着频率增高,电流由于趋肤效应集中于在导体表面,受到的电阻减小,同时,铜箔表面的粗糙度也不会激化导体损耗;介质损耗,源自介质的极化,交流电场使介质中电偶极子极化方向大大变化,消耗能量;耦合到附近回头线,主要所指串扰,导致信号自身波动的同时对附近信号带给阻碍;电阻不倒数,光线也不会造成传输的信号损失部分能量;对外电磁辐射,电磁辐射引发的信号波动比较较小,但是不会带给EMI问题。其中,介质损耗和导体损耗是传输线上信号波动的根本原因,也是本文讲解的重点。想搞清楚导体损耗,必须解读趋肤效应及导体表面粗糙度产生的影响。

高频电流流到导体时,电流不会趋向导体表面产于,频率越高,附近导体表面的电流密度越大,这种现象称作趋肤效应(如下图右图,导体上颜色越浅代表电流密度越大)。趋肤效应从电磁场的角度解读趋肤效应颇费周折,而从电阻的角度分析,不会令其你豁然开朗,趋肤效应可以指出是电流谋求低于电阻路径的趋势导致的,在高频时,路径电阻主要由电路电感要求,为找寻电路电感低于路径,电流在导线上的产于不会尽可能晃进行以增加导线自感(可说明长走线不利于增加传输线的损耗),同时,回到路径中的偏移电流不会尽可能附近信号路径表面以增大电路电感。

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电磁波强度波动到表面场强1/e的深度称作趋肤深度,高频时,铜导线中电流经过的趋肤深度δ计算公式如下:随着信号速率的减少,趋肤深度增大,意味著过流面积的增大,交流电阻减少。雪上加霜的是,实际的导体表面并非意味著平滑,而是具备一定的粗糙度。而且在PCB加工过程中,为减少铜箔与板材的融合能力,还不会展开粗化处置,更进一步激化了导体损耗。通过微观切片所看见的PCB走线的横截面结构如下图示,不难看出,信号线的表面是十分坚硬的。

当趋肤效应碰上坚硬的表面,等候高速信号的将是“摩擦摩擦,形似魔鬼的步伐”。让人头大的是,坚硬的铜箔不像坚硬的嘴唇,一支唇膏就能搞定。为了符合信号损耗的市场需求,必须根据实际情况自由选择有所不同表面粗糙度的铜箔,以此为区分标准,铜箔可以分成STD(标准铜箔)、RTF(翻转铜箔)、VLP(较低表面粗糙度铜箔)以及HVLP(超低表面粗糙度铜箔)。

明白了导体损耗产生的原因,也就不难理解高速信号叠层设计时为何不会自由选择表面粗糙度较低的铜箔了。如下图右图,完全相同材料有所不同的铜箔类型损耗曲线对比。

从建模结果可以显现出在5GHz以下铜箔的影响不是过于显著,但在5GHz以上铜箔的影响开始更加大,所以我们在高速信号(特别是在>10Gbps)的设计和建模中必须注目铜箔表面粗糙度的影响。看完导体损耗,再行来聊聊介质损耗。包含板材的玻纤和树脂等绝缘材料介质中的带电粒子被束缚在分子中,另加电场不会使其产生微观偏移,使介质中的偶极子随电场方向规则排序,这种现象称作介质的极化,极化过程产生的能量损失称作介质损耗。介质损耗某种程度不会导致高速信号的波动。

必须留意的是,区别介质的比较介电常数(Dk)与力学系统因子(Df)的概念。比较介电常数叙述了材料影响电容量和电磁波传播速度的系数度量,牵涉到偶极子与电场的有所不同互为运动并引发电容变化;力学系统因子(Df)则叙述了参予运动的偶极子数量及运动轻微程度随频率提升的系数度量,牵涉到偶极子与电场的同互为运动并引发损耗。介质损耗与Dk和Df有必要关系,Dk/Df就越小(平稳),损耗也就越小(平稳),合理平稳的介质参数可以在工程应用于上更佳的掌控产品的性能。为了能让大家对于介质损耗有个直观印象,不妨看个例子。


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