传输线损耗产生的原因有几种-.doc
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1、传输线损耗产生的原因有几种?我梦中的信号通道是无损传输线,有一天它会身披光滑铜箔,脚踏“无损”板材来搭救我的高速信号。梦想很丰满,现实却很骨感,“无损”板材和表面粗糙度为零的绝对光滑铜箔在工程应用中并不存在,所以,残酷的现实是“损耗易把能量抛,缓了边沿,降了眼高”。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,随着频率升高,电流由于趋肤效应集中在导体表面,受到的阻抗增大,同时,铜箔表面的粗糙度也会加剧导体损耗;介质损耗,源于介质的极化,交流电场使介质中电偶极子极化方向不断变化,消耗能量;耦合到邻近走线,主要指串扰,造成信号自身衰
2、减的同时对邻近信号带来干扰;阻抗不连续,反射也会导致传输的信号损失部分能量;对外辐射,辐射引起的信号衰减相对较小,但是会带来EMI问题。其中,介质损耗和导体损耗是传输线上信号衰减的根本原因,也是本文介绍的重点。想要搞清楚导体损耗,需要理解趋肤效应及导体表面粗糙度产生的影响。高频电流流过导体时,电流会趋向导体表面分布,频率越高,靠近导体表面的电流密度越大,这种现象称为趋肤效应(如下图所示,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理解趋肤效应颇费周折,而从阻抗的角度分析,会令你豁然开朗,趋肤效应可以认为是电流寻求最低阻抗路径的趋势造成的,在高频时,路径阻抗主要由回路电感决定,为寻找
3、回路电感最低路径,电流在导线上的分布会尽量伸展开以减少导线自感(可解释宽走线有利于减少传输线的损耗),同时,返回路径中的反向电流会尽量靠近信号路径表面以减小回路电感。电磁波强度衰减到表面场强1/e的深度称为趋肤深度,高频时,铜导线中电流经过的趋肤深度计算公式如下:随着信号速率的增加,趋肤深度减小,意味着过流面积的减小,交流电阻增加。雪上加霜的是,实际的导体表面并非绝对光滑,而是具有一定的粗糙度。而且在PCB加工过程中,为增加铜箔与板材的结合能力,还会进行粗化处理,进一步加剧了导体损耗。通过微观切片所看到的PCB走线的截面结构如下图示,不难看出,信号线的表面是非常粗糙的。当趋肤效应遇上粗糙的表面
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