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PCB傳輸線的損耗情況怎么樣

PCB線路板打樣 ? 來源:ct ? 2019-09-08 14:10 ? 次閱讀

本文深入介紹了PCB傳輸線路的損耗問題。我們將討論導體損耗,信號走線電阻,介質損耗,電介質的損耗角正切/耗散因數以及總插入損耗。

In我們之前的PCB傳輸線系列,我們為您提供了傳輸線的特征阻抗:

PCB傳輸線的損耗情況怎么樣

其中:

R =每單位長度線路導體的電阻(pul)
L =線路導體的電感線圈pul
G =信號和返回路徑之間的電導(由于介電材料)pul
C =信號和返回路徑之間的電容pul(它隨著電介質的Dk而增加)

對于均勻的傳輸線, R,L,G,C在其上的每個點都是相同的,因此Zc在傳輸線上的每個點都具有相同的值。

對于頻率行進的正弦信號在線的方向上,各點和時間的電壓和電流表達式都是giv en by:

其中α和β是的實部和虛部,由下式給出:

在我們感興趣的頻率,R <<ωL和G <<ωC,所以:

And:

這樣:

這代表一個波長以每單位長度傳播延遲傳播,并隨著沿線傳播而衰減。

長度為l的傳輸線的信號衰減系數為:

衰減或信號損耗因子通常用dB表示。

這樣dB損耗與線路長度成正比。因此,我們可以將上述單位長度的dB損失表示為:

我們通常省略減號,請記住它是一個dB損耗 - 總是從信號強度中減去dB。

以上也稱為傳輸線每單位長度的總插入損耗,寫為:

現在R/Z0組分的損耗與R成正比,每單位長度的電阻稱為導體損耗,這是由于形成傳輸線的導體的電阻。它由'alfa'C表示。 GZ0部分損耗與G - 電介質材料的電導成正比,稱為介電損耗 - 用'alfa'd表示。

導體損失

其中R是每英寸導體的電阻。

現在PCB傳輸線中有兩根導線 - 信號走線和返回路徑。

通常返回路徑是平面,但返回電流不均勻分布在平面上 - 我們可以證明大部分電流集中在寬度為寬度的三倍寬度的條帶上。信號跟蹤和信號跟蹤下方。

可以近似:

這樣:

信號走線電阻

信號走線的整個橫截面積平均參與信號電流?答案是:并非總是如此 - 它取決于信號的頻率。

在非常低的頻率 - 直到大約1 MHz,我們可以假設整個導體參與信號電流,因此Rsigis相同作為信號軌跡的'alfa'C電阻,即:

其中:

ρ=銅電阻,單位為歐姆 - 英寸

W =以英寸為單位的跡線寬度(例如:5密耳,即。 0.005英寸50歐姆的痕跡)
T =以英寸為單位的跡線厚度(通常為?盎司至10盎司,即0.0007“至0.0014”)

例如,對于5密耳寬的跡線:

出于我們的目的,我們對頻率為f的A/C電阻感興趣。在這里,皮膚效果進入了畫面。根據趨膚效應,頻率f處的電流僅傳播到稱為導體趨膚深度的某個深度,即:

下表給出了不同頻率下趨膚深度的值:

我們從上面看到4 MH ,表皮深度等于1盎司銅厚度,在15 MHz時,它等于?盎司銅厚度。超過15 MHz時,信號電流僅在深度小于0.7 mil時傳播,并且隨著頻率的增加而不斷減小。

由于我們關注的是高頻行為,我們可以放心地假設T是在我們感興趣的頻率上大于皮膚深度,因此我們將使用皮膚深度而不是在信號阻力公式中使用T.所以我們現在有:

我們使用2δ而不是δ,因為電流使用導體的所有外圍 - 技術上2W可以用2代替( W + T)。

返回信號沿最靠近信號軌跡的表面僅沿一個厚度δ傳播,其電阻可近似為:

由于導體上的銅表面粗糙度導致的導體損耗增加 - 電介質界面:

重要的是要知道在電路板中,“銅導體 - 介電界面”從不光滑(如果光滑,銅導體很容易從介電表面剝離);它被粗糙化成齒狀結構,以增加電路板上導體的剝離強度。

對于典型的覆銅層壓板,界面看起來像:

PCB傳輸線的損耗情況怎么樣

其中:

hz =牙齒的峰高峰值

hz是衡量表面粗糙度。

通常,hz從一種箔類型到另一種箔類型不同,典型值為:

如果粗糙度hz小于趨膚深度(在非常高的頻率下就是這種情況),這將導致額外的導體損耗。我們通過制作具有不同hz的不同箔的測試電路板來實驗觀察到這種增加。

我們發現VLF箔的損耗低于通常的HTE箔的情況。

對于頻率大于1 GHz的射頻/微波電路板,由于粗糙度造成的這些導體損耗在長信號線上會變得很明顯。

低頻,它仍然是:

對R使用上面的等式中的較高者。

在高頻率下:

如果f為GHz,W和T為mils,我們得到:

讓我們計算它為5密耳,1盎司,50歐姆和4密耳,0.5盎司和50歐姆線:

需要注意的重要一點是,在頻率大于50 MHz時,導體損耗與頻率的平方根成正比:

預測銅粗糙引起的額外損失并不容易 - 不存在簡單的公式。

介電損耗

如前所述,這是傳輸線中每單位長度dB的介質損耗:

其中:

G =介電材料的電導率

Z0 =傳輸線的阻抗約為√L/C

PCB介電材料的兩個特性:
1。介電常數 - Dk或Er - 也稱為相對介電常數。
2。耗散因子 - Df - 也稱為tanδ。

PCB材料制造商發布了Er和Df的值。

現在我們將找到G和Er,Df之間的關系。

電介質的損耗角正切/耗散因子

我們可以將兩個導體之間的介電層建模為電導G并聯電容C:

該導體上的A/C電壓和頻率電流為:

IG是通過G的電流,IC是通過電容器的電流。

tanδ也稱為耗散因子Df≡tanδ。

如果σ是介電材料的有效導電率,那么:

已經通過實驗觀察到tanδ或Df隨頻率變化很小,并且可以被認為是與所有實際目的無關的頻率值:

上述等式表明電導率σ,因此電介質的電導G隨頻率增加。這是你可以期望的頻率越高,電介質偶極子的機械運動中的熱耗散越大,它們與電介質上的交變電場對準。 (我們稱之為'阻尼振動偶極矩'。)

我們現在有:

回想一下√LC給出傳輸線的每單位長度傳播延遲 - Pd - 。

現在我們有:

因此,我們得到:

我們從上面看到電介質損耗與頻率成正比。

為了了解它的大小,讓我們考慮一下PCB材料Isola 370HR和I-Speed以及I-Meta:

總插入損耗

導體損耗的總和 - 'alfa'C - 和介電損耗: 'alfa'd。

我們衡量損失的價值。 (分別測量導體和介電損耗并不容易。)

如果我們測量不同頻率(例如從1 GHz到10 GHz)的正弦信號的插入損耗,我們可以使用上面的公式來將兩種類型的損失分開:

如果我們現在繪制'alfa'ins/√fvs√f,我們期望一個線性圖,從中我們可以確定A1和A2。

繼續閱讀PCB傳輸線:

- 什么是PCB傳輸線?

- 信號速度和傳播延遲PCB傳輸線

- PCB傳輸線:臨界長度,受控阻抗和上升/下降時間

- 如何分析PCB傳輸線

- 阻抗PCB傳輸線中的不連續性和信號反射

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