[分享] 微带线的损耗

PCB材料选择

印刷电路板 (PCB) 材料是构建通道设计的基板。它由核心、预浸料介电层和铜箔组成，这些铜箔堆叠并粘合在一起，形成完整的 PCB 堆叠。介电层和铜层构成了通道设计的参考平面和布线层。PCB 材料导致的信号衰减源包括介电损耗、导体损耗、不匹配阻抗引起的反射和辐射损耗。辐射造成的损失通常很小，可以忽略不计。剩余的损失可归因于材料选择的各种特性。直接影响链路性能的材料属性包括：

损耗角正切 (tan(δ))（也被许多 PCB 制造商称为耗散因数 (Df)）是信号沿传输线传播时信号衰减的量度。这种衰减是介电材料吸收电磁波的结果，通常称为介电损耗。随着频率的增加，介电损耗也成比例地增加。高速信号层的常见材料选择包括 Nelco 4000-13EPSI、Rogers 4350B 和 Panasonic Megtron 6。对于超高 Gbps 收发器设计，英特尔已成功使用 Panasonic 的 Megtron 6 材料作为核心层压板和周围的预浸料层高速布线层。

 图 2. 材料损耗角正切比较

介电常数（许多材料数据表中的Ɛ r或 Dk）是材料绝缘特性的量度，会影响嵌入其中的导体的电容以及信号在传输线上的传播速度。较低的介电常数可提供更好的绝缘、更快的信号传播、更高的给定走线几何形状的走线阻抗和更小的杂散电容。

图 3. 带状线差分迹线

表 1.100-Ω 带状线 FR4 与 Megtron-6 结构

考虑一个 100 Ω 差分带状线对，该对采用 6 mils的最佳走线宽度 (W) 和 15 mils的线对间距 (S)。对于 FR4，总电介质厚度为 18.7 mils (T+H1+H2)。对于使用 Megtron-6 的相同走线构造尺寸，总厚度为 13.7 mils。总厚度减少 5 mils意义重大，因为对于需要许多信号层的高密度板来说，它会迅速增加。例如，使用 Megtron 6 与 FR4 相比，具有 6 个带状线布线层的典型 FPGA 板可以节省 30 mils的 PCB 厚度。这可能是使用标准通孔钻孔工艺轻松制造的电路板与需要更昂贵的激光钻孔技术的电路板之间的区别，因为电路板厚度与通孔纵横比较小。此外，降低Ɛr导致更快的信号传播 (T pd ) 和更低的走线电容 (C)，从而提高信号性能。

Ɛ r的另一个考虑因素是它通常随着频率的增加而减小。减小Ɛ r以两种方式影响传输线：

迹线阻抗随着 Ɛ r 的减小而增加，导致反射进一步降低信号质量

信号速度随着 Ɛ r 的减小而增加，导致构成数字信号的不同谐波的色散。这导致接收器的相位抖动增加

注意：始终选择具有平坦频率响应的较低 Ɛ r以获得最佳信号性能并减少增加相位抖动的信号色散。

PCB 板由多股玻璃纤维纱线与环氧树脂编织成束构成，形成构成核心和预浸层压板的玻璃纤维板

。

图 4. 常用的玻璃纤维编织样式

由于纤维束和环氧树脂的介电常数不同，纤维编织密度影响层板介电常数的均匀性。稀疏编织的磁芯和预浸料具有不太均匀的介电常数，并且会导致走线路径上的阻​​抗和信号速度发生变化。例如，考虑通过 7268 型玻璃纤维布线的差分对迹线与通过 106 型玻璃纤维布线的同一对迹线。7268 玻璃提供更均匀的介电常数，因为铜迹线始终位于玻璃上方。但是，在 106 型玻璃上布线的走线可能会导致差分对的一条腿在玻璃上布线，而另一条腿在玻璃和树脂之间交替。主要问题是每条支路在差分信号中具有不同的阻抗和偏斜。尽管有一些布线技术，例如使用之字形布线、慢跑布线以及将完整的电路板设计放置在 PCB 面板上的轻微倾斜处，以平均化编织/编织问题并减轻信号速度变化，但这些技术在不完全解决阻抗变化和反射问题的情况下，权衡宝贵的电路板空间。此外，这些补偿技术会增加走线长度，从而导致额外损耗。

图 5. 锯齿形、折弯布线和倾斜 PCB 补偿技术

因此，对于非常高的 Gbps 数据速率，为高速路由层选择更高密度的玻璃纤维层压板，同时将稀疏密集的玻璃纤维降级到较低速度和功率层，以抵消 PCB 成本。

注意：始终为高速信号层周围的核心和预浸材料选择更密织的玻璃纤维样式，以获得更均匀的Ɛ r，从而最大限度地减少阻抗和信号速度变化。

注意：为电源层和较慢的通用信号层选择稀疏密集的玻璃纤维样式，以降低 PCB 成本。

除了介电损耗外，材料损耗也由导体损耗引起。导体损耗是铜导体上的电阻衰减。电阻损耗通常通过使用适当宽的迹线来减轻。然而，对于非常高频的设计，由于集肤效应，大部分电流分布被推向铜导体的外表面。在趋肤深度接近铜的平均粗糙度的频率下，电流进一步受到铜表面粗糙度的阻碍，导致电阻和导体损耗增加。

图 6. 集 肤效应和铜表面粗糙度

铜表面的粗糙度因铜箔的构造而异。这些箔可以通过电沉积（通常称为电解铜）或轧制和压制以形成更光滑的铜箔表面。铜粗糙度指定为以微米 (µm) 为单位的平均值 (Ra )。作为比较，典型的电解加工铜粗糙度 R a为 1 µm 或更大，而轧制铜的粗糙度范围为 0.3 至 0.4 µm。这种铜粗糙度的影响可以通过校正因子 (K SR ) 对导体衰减 (α Cond )来近似。

图 7. 铜粗糙度近似方程

图 8. 6英寸微带线测试迹线铜表面粗糙度的衰减效应

红色曲线是高频结构模拟器（HFSS）模拟的导体衰减（α Cond），没有表面粗糙度校正的影响。绿色曲线是包含表面粗糙度校正因子 (K SR )的相同结果。蓝色曲线是出于相关目的对同一测试迹线进行的实际矢量网络分析仪 (VNA) 测量。

注意：为了减少导体损耗，在 PCB 结构中使用更宽的走线并选择轧制铜箔而不是传统的电沉积 (ED) 铜箔。

注意：某些模拟工具可能不包括表面粗糙度的损失影响。在这些情况下，必须添加 校正因子 (K SR ) 以获得实际损失的实际预测。

PCB 叠层中关键高速布线层的分配是设计决策的关键部分。堆叠内高速信号层的分配直接影响信号性能。走在PCB板外层的信号称为微带线，走内层的信号称为带状线。

图 9. 差分微带线与带状线结构

通过控制走线宽度 (W)、间距 (S) 和距参考平面的高度（微带线为 H，带状线为 H1、H2）等各种参数，可以适当调整走线阻抗。此外，可以通过调整线对间距 (D) 来很好地控制来自相邻迹线的边缘耦合串扰。

表 2. 微带线与带状线

使用一种拓扑而不是另一种拓扑的决定检查了影响信号带宽的一阶因素。虽然阻抗和串扰在两种布线拓扑中都可以得到很好的控制，但对于相同的迹线宽度和铜厚度，带状线提供的信号衰减低于微带线。

图 10. 带状线与微带线插入损耗 (Sdd21)

图 11. 叠层结构

注意：对于相同走线宽度和铜厚度的考虑，与微带线相比，带状线导致的信号衰减更小。

看不到图，既然发布了就发全，这样的资料参考价值就不大了。

测试一下

感谢分享~~~~~~

找了很久了，刚好今天搜索一下，就看到这篇帖子的分享了，感谢楼主，太赞啦！！！