微带线中的介电损耗有多低？

在开始布线PCB或IC之前，您需要确定要使用的走线布置。数字系统的三个常见选项是表面层上的微带线，内部层上的带状线或用于共模或差模路由的宽边耦合带状线的布置。一旦开始使用RF系统，其他类型的线路就会更有用。

如果仔细阅读许多高速设计指南，尤其是高速PCB设计指南，就会发现对于高速信号使用哪种走线几何形状会产生一些冲突。两种典型的准则是：

l 使用微带线，因为它们的介电损耗较低。

l 使用带状线，因为附近的平面层可提供屏蔽。

高速PCB中没有“最佳”走线几何图形可使用，上面定义的两种几何图形都具有特殊的优势。在这些类型的走线之间进行适当的比较需要理解为什么微带线上的介电损耗可以低于带状线上的损耗。让我们更深入地看一下，以便我们了解电介质损耗如何受到PCB叠层中走线几何形状和位置的影响。

是什么决定了微带线上的介电损耗？

决定微带线上介电损耗的唯一因素是电磁场集中的位置。每当围绕迹线的电磁场穿过有损耗的电介质时，该场都会遭受损耗。微带线中的介电损耗较低，这仅仅是因为走线位于基板的表面上。迹线下半部周围的场进入电介质，并且迹线上半部的边缘场是与有损介电基片相互作用的场的唯一部分。

如果比较由微带线和带状线上的电流产生的电磁场线，很明显为什么微带线中的介电损耗较低。下图显示了带状线（左）和微带线（右）发出的电场的比较。请注意，这里的磁场被忽略了，因为PCB基板是非磁性的，我们只担心振荡极化和弛豫。从该图像中，我们可以看到，来自微带的场通过空气，在我们开始处理雷达频率（〜24 GHz和〜77 GHz，我们开始担心散射）之前，它的介电损耗为零。

 

在数学上，使用有效介电常数定义微带线上的介电常数和损耗。在以下等式中为微带定义了该定义。从该方程式，我们可以看到介电常数（实部和虚部）都较小，因此微带线中的总介电损耗较小。由于实部（Dk值）较低，因此微带线上的信号速度也较大。

 

 

注意，带状线没有类似的方程式。这是因为围绕带状线的电磁场在终止于相邻平面层之前完全穿过电介质（请参见上图）。因此，没有有效的介电常数，带状线上的信号会遭受电介质损耗的最大冲击。

 

介电损耗与导体损耗

在平面PCB基板和半导体晶圆上设计走线和波导时，重要的是要了解可能产生损耗的各种影响。这些损失通常分为两个区域

介电损耗

术语“介电损耗”通常是指电磁场和介电材料之间非常特定的相互作用。但是，该术语也可以扩展为包括各种因电磁场和电介质之间的相互作用而产生的效应。这些效果包括：

l 直流电导。PCB基板和半导体不是完美的绝缘体。电流将在保持不同电位的两个点之间流动，并且该电流将作为热量散发。

l 约束电荷的振荡（交流损耗）。这是指在相当低的频率（即光子能量小于电子带隙）下，PCB基板（或IC设计人员的半导体基板）中束缚电荷的激发和振荡。这些激发的束缚电荷经历衰减的振荡，并向其主体原子损失一些能量，这本身表现为热量。

l 吸收。一旦电磁波的频率变得足够大以至于光子能量与电介质的电子带隙相匹配，光子就会被吸收并将其能量提供给电子。这是许多光学效应的基础，在以近红外和较短波长工作的半导体中变得很重要。注意，在非线性材料中或通过多光子吸收，可以实现亚带隙吸收。

l 纤维编织产生的谐振功率损耗。 在周期性负载下，PCB基板中的玻璃编织物会由于相消干涉而产生损耗。实际上，光纤编织腔中的干扰会阻止电磁场在传输线上传播到接收器。

l 散射。当电磁波遇到粗糙或不均匀的电介质时，电磁波会从材料界面散射，其介电常数会有所不同。关于微带线中的介电损耗，由于铜的粗糙度和PCB基板中的玻璃编织，在达到THz频率之前，这种影响不会变得至关重要。

导体损耗

PCB和IC传输线上损耗的另一面是导体损耗。由于所有金属的有限电导率以及它们在平面基板上的沉积方式，导体上会产生三种形式的损耗。

l 直流损耗。铜的有限电导率会产生DC损耗，可以很容易地将其量化为IR降。导体损耗的这种来源始终存在于真实导体上。

l 交流电损耗。趋肤效应会引起导体上的交流损耗，趋肤效应会沿着导体的边缘产生涡流。然后，这会将电场集中在导体的边缘，从而导致损耗与频率成平方根。

l 铜粗糙度。铜的任何平面沉积工艺都会产生粗糙的导体。导体的粗糙度然后增加了趋肤效应损耗，这是由“铜粗糙度校正因子”引起的。看一下即将举行的演讲，以了解有关铜粗糙度及其对阻抗，损耗和阻抗匹配的影响的更多信息。

对电介质损耗产生额外影响的一种导体损耗是电沉积蚀刻铜的粗糙度。这样可创建一个有效较小的几何形状，该几何形状在PCB中的两个相邻导体层之间可见。下面显示了PCB层压板中定义的对介电损耗的影响。通过H（RMS）值定义的粗糙度会增加微带线和带状线中的有效介电损耗，如下模型和公式所示。随着板和IC继续进入光学领域（例如微波光子板和IC），散射和吸收将成为微带线和带状线中介电损耗的主要贡献者。

 

请注意，所有这些影响均取决于频率（即，色散）。因为相关的材料特性（电导率和介电常数）与温度有关，所以实际PCB和IC传输线上的损耗也与温度有关。通常，损耗和介电常数是频率的函数，这使得在不使用同时考虑几何形状和所有损耗源的优化程序的情况下，宽带信号的阻抗匹配变得相当困难。