传输线损耗对高速信号完整性劣化的影响

简介

传输线损耗由趋肤效应与介质特性共同产生，是造成高速信号完整性劣化、眼图性能变差的关键因素。

在梳理高速串行数据链路调试相关内容时我们发现：发射端与接收端之间出现信号完整性问题不存在单一诱因，对应的解决方法也绝非只有一种。我们先从最直观、最容易入手的问题说起 —— 传输线损耗。

图 1：采用三维场求解器仿真差分走线

图 1 展示了通过三维场求解器仿真得到的 20 英寸长的 FR-4 材质微带差分走线。差分走线正负（P 线、N 线）线宽均为 5 mils，线间距同样为 5 mils；走线间距等于单条走线宽度，因此两根导线耦合程度较强。

三维场求解器的优势在于可直观呈现介质层与导体表面的电磁场分布，帮助理解走线间的耦合效应以及电磁场沿走线的传输规律。从图 1 仿真示意图可见，该走线单端阻抗为 56.2 Ω，属于非理想阻抗，由此可推算出差分阻抗约 100 Ω。

图 2：传输线单端参数存在振铃与反射现象

观察单端S参数曲线（图 2）能够发现：插入损耗与回波损耗出现凹陷，进而引发信号振铃；但得益于约 100 Ω 的标准差分阻抗，混合模式S参数曲线（图 3）整体趋于平坦。受走线耦合作用影响，单端阻抗数值会略高于差分阻抗的一半。

这类传输线用于超高速串行数据传输时，信号损耗主要来自两大机理：趋肤效应损耗与介质损耗。趋肤深度与信号频率成反比，频率越高，电流渗入导体内部的深度越浅，电流仅集中在导体表层，致使高频下导体电阻增大、辐射损耗加剧。

图 3：差分走线的混合模式S参数曲线基本平直

除此之外，介质损耗由损耗正切与介质导电特性共同决定。以上两类损耗均会随频率升高而显著增大，这一点在图 3 的差分损耗曲线中体现得十分明显。当频率超过 10 GHz 左右，传输损耗会急剧上升，最终造成接收端眼图质量严重恶化。

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