PCB传输线损耗有哪几种?

四种常见损耗:

 
这四种常见损耗分别是导体损耗、介质损耗、辐射损耗、回波损耗。
 
四种常见损耗与PCB传输线结构各参数的关系大致如下:
 
其中实线表示强相关,虚线表示弱相关。
 
例如铜箔表面处理与表面粗糙度,会强烈影响导体损耗。
 
微带线电长度,当然不会影响回波损耗。——有时反而会改善回波损耗。
 
微带线电长度,呈正比地影响其它三个损耗。介质厚度,会显著影响辐射损耗。
 
还有个奇怪的观点:介质损耗居然与介质厚度关系不大!当然这个观点是有条件的,例如必须在相同阻抗的条件下才有这种结论。
 
如果阻抗变了,介质损耗也变了。想一想高压电的原理就能明白:架空电力线的介质绝大部分是空气,空气的介质损耗所占比重极低,所以采用高压高阻抗传输电力,大大减小了导体损耗,轻微增加了介质损耗,使得总损耗降低较多。
 
这四种损耗里面,与射频无源工程师相关性较大的,或者说最能体现射频无源工程师价值与技术功底的,应该是回波损耗。
 
因为回波损耗易被新手忽略,所以出现范围较广,危害较大,但解决方案成本极低。
 

第五种损耗

 
除了这四种损耗模式之外,还有一种高次模损耗。但需要极高的频率,例如毫米波频段,才会关注到高次模损耗:当微带线横截面尺寸满足高次模传输尺寸时,正常的TEM模会有能量耦合到高次模,从而引起损耗。
 
有两种高次模,一种是波导模式(TE波导和TM波导),一种是表面波模式。
 
这两种高次模发生的条件都是微带线横截面尺寸达到波长数量级。一般微带线介质厚0.254mm,微带线宽度0.5mm,而50GHz波长为6mm(介质中的半波长1.5mm),差异较大,一般不会发生这种高次模损耗,只有当50GHz微带线介质厚度接近1mm,才有可能发生这种高次模。
 
同轴线内部也有可能产生高次模。
 

各种损耗起始出现的频段,这几种损耗所出现的起始频段是不同的:

导体损耗起始于直流电频段。介质损耗起始于低频。回波损耗起始于中频。辐射损耗起始于高频。高次模损耗起始于极高频。
 
所有损耗都有频率越高,损耗越大的趋势。
 
当频率较高时,辐射损耗和高次模损耗上升极快,甚至导致无法传输有用信号。
画个示意图:
 
 
上述低中高频段划分,没有精确的量化,只是粗略的估计,要具体问题具体分析。
上面的图形只是示意各损耗开始出现的频段,千万不能下个“导体损耗大于介质损耗”的结论。
 
每种损耗所占比重,与PCB传输线结构和信号频率密切相关,只能具体问题具体分析。
 
如果笼统地问一句:PCB介质损耗和导体损耗,哪个更大?这个问题是无法回答的。还不如动手用Polar软件仿真试试,看哪个损耗更大。

作者:南峰说

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