微帶線中的介電損耗有多低？

在開始布線PCB或IC之前，您需要確定要使用的走線布置。數(shù)字系統(tǒng)的三個常見選項是表面層上的微帶線，內(nèi)部層上的帶狀線或用于共?；虿钅Ｂ酚傻膶掃?a href="http://www.wenjunhu.com/tags/耦合/" target="_blank">耦合帶狀線的布置。一旦開始使用RF系統(tǒng)，其他類型的線路就會更有用。

如果仔細閱讀許多高速設(shè)計指南，尤其是高速PCB設(shè)計指南，就會發(fā)現(xiàn)對于高速信號使用哪種走線幾何形狀會產(chǎn)生一些沖突。兩種典型的準則是：

l使用微帶線，因為它們的介電損耗較低。

l使用帶狀線，因為附近的平面層可提供屏蔽。

高速PCB中沒有“最佳”走線幾何圖形可使用，上面定義的兩種幾何圖形都具有特殊的優(yōu)勢。在這些類型的走線之間進行適當?shù)谋容^需要理解為什么微帶線上的介電損耗可以低于帶狀線上的損耗。讓我們更深入地看一下，以便我們了解電介質(zhì)損耗如何受到PCB疊層中走線幾何形狀和位置的影響。

是什么決定了微帶線上的介電損耗？

決定微帶線上介電損耗的唯一因素是電磁場集中的位置。每當圍繞跡線的電磁場穿過有損耗的電介質(zhì)時，該場都會遭受損耗。微帶線中的介電損耗較低，這僅僅是因為走線位于基板的表面上。跡線下半部周圍的場進入電介質(zhì)，并且跡線上半部的邊緣場是與有損介電基片相互作用的場的唯一部分。

如果比較由微帶線和帶狀線上的電流產(chǎn)生的電磁場線，很明顯為什么微帶線中的介電損耗較低。下圖顯示了帶狀線（左）和微帶線（右）發(fā)出的電場的比較。請注意，這里的磁場被忽略了，因為PCB基板是非磁性的，我們只擔心振蕩極化和弛豫。從該圖像中，我們可以看到，來自微帶的場通過空氣，在我們開始處理雷達頻率（?24 GHz和?77 GHz，我們開始擔心散射）之前，它的介電損耗為零。

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在數(shù)學上，使用有效介電常數(shù)定義微帶線上的介電常數(shù)和損耗。在以下等式中為微帶定義了該定義。從該方程式，我們可以看到介電常數(shù)（實部和虛部）都較小，因此微帶線中的總介電損耗較小。由于實部（Dk值）較低，因此微帶線上的信號速度也較大。

注意，帶狀線沒有類似的方程式。這是因為圍繞帶狀線的電磁場在終止于相鄰平面層之前完全穿過電介質(zhì)（請參見上圖）。因此，沒有有效的介電常數(shù)，帶狀線上的信號會遭受電介質(zhì)損耗的最大沖擊。

介電損耗與導體損耗

在平面PCB基板和半導體晶圓上設(shè)計走線和波導時，重要的是要了解可能產(chǎn)生損耗的各種影響。這些損失通常分為兩個區(qū)域

介電損耗

術(shù)語“介電損耗”通常是指電磁場和介電材料之間非常特定的相互作用。但是，該術(shù)語也可以擴展為包括各種因電磁場和電介質(zhì)之間的相互作用而產(chǎn)生的效應。這些效果包括：

l直流電導。PCB基板和半導體不是完美的絕緣體。電流將在保持不同電位的兩個點之間流動，并且該電流將作為熱量散發(fā)。

l約束電荷的振蕩（交流損耗）。這是指在相當?shù)偷念l率（即光子能量小于電子帶隙）下，PCB基板（或IC設(shè)計人員的半導體基板）中束縛電荷的激發(fā)和振蕩。這些激發(fā)的束縛電荷經(jīng)歷衰減的振蕩，并向其主體原子損失一些能量，這本身表現(xiàn)為熱量。

l吸收。一旦電磁波的頻率變得足夠大以至于光子能量與電介質(zhì)的電子帶隙相匹配，光子就會被吸收并將其能量提供給電子。這是許多光學效應的基礎(chǔ)，在以近紅外和較短波長工作的半導體中變得很重要。注意，在非線性材料中或通過多光子吸收，可以實現(xiàn)亞帶隙吸收。

l纖維編織產(chǎn)生的諧振功率損耗。 在周期性負載下，PCB基板中的玻璃編織物會由于相消干涉而產(chǎn)生損耗。實際上，光纖編織腔中的干擾會阻止電磁場在傳輸線上傳播到接收器。

l散射。當電磁波遇到粗糙或不均勻的電介質(zhì)時，電磁波會從材料界面散射，其介電常數(shù)會有所不同。關(guān)于微帶線中的介電損耗，由于銅的粗糙度和PCB基板中的玻璃編織，在達到THz頻率之前，這種影響不會變得至關(guān)重要。

導體損耗

PCB和IC傳輸線上損耗的另一面是導體損耗。由于所有金屬的有限電導率以及它們在平面基板上的沉積方式，導體上會產(chǎn)生三種形式的損耗。

l直流損耗。銅的有限電導率會產(chǎn)生DC損耗，可以很容易地將其量化為IR降。導體損耗的這種來源始終存在于真實導體上。

l交流電損耗。趨膚效應會引起導體上的交流損耗，趨膚效應會沿著導體的邊緣產(chǎn)生渦流。然后，這會將電場集中在導體的邊緣，從而導致?lián)p耗與頻率成平方根。

l銅粗糙度。銅的任何平面沉積工藝都會產(chǎn)生粗糙的導體。導體的粗糙度然后增加了趨膚效應損耗，這是由“銅粗糙度校正因子”引起的?？匆幌录磳⑴e行的演講，以了解有關(guān)銅粗糙度及其對阻抗，損耗和阻抗匹配的影響的更多信息。

對電介質(zhì)損耗產(chǎn)生額外影響的一種導體損耗是電沉積蝕刻銅的粗糙度。這樣可創(chuàng)建一個有效較小的幾何形狀，該幾何形狀在PCB中的兩個相鄰導體層之間可見。下面顯示了PCB層壓板中定義的對介電損耗的影響。通過H（RMS）值定義的粗糙度會增加微帶線和帶狀線中的有效介電損耗，如下模型和公式所示。隨著板和IC繼續(xù)進入光學領(lǐng)域（例如微波光子板和IC），散射和吸收將成為微帶線和帶狀線中介電損耗的主要貢獻者。

請注意，所有這些影響均取決于頻率（即，色散）。因為相關(guān)的材料特性（電導率和介電常數(shù)）與溫度有關(guān)，所以實際PCB和IC傳輸線上的損耗也與溫度有關(guān)。通常，損耗和介電常數(shù)是頻率的函數(shù)，這使得在不使用同時考慮幾何形狀和所有損耗源的優(yōu)化程序的情況下，寬帶信號的阻抗匹配變得相當困難。