我们之前传输线相关文章,讨论的都是理想传输线:无损传输线。但理想的完美事物只存在于理念世界中,在现实世界中的实际传输线总是存在缺憾和不完美的,其中的一方面就是:传输线是存在损耗的。
有损传输线的特性
有损传输线的模型如下图所示,除了串联回路电感和并联电容之外,还有串联电阻和并联电导。实际传输线的损耗主要就来自于这两部分电阻。
电感和电容真的不会产生损耗么?是的,我们一定要牢记:只要是会产生损耗的,那一定是电阻。电感和电容只能存储能量,而不会消耗能量。
接下来我们来深入这两部分电阻,具到底是什么。
1. 串联电阻是指:金属导线本身的电阻,在直流条件下导线本身电阻是非常小(mΩ级别);当然回流路径也是有电阻的,但是回流路径一般是平面,其电阻相比于信号路径(导线)还要小很多。
另外随着信号频率的增加,由于趋肤效应导致金属导线的电阻值也会增加,从而造成金属导线对信号的损耗也会增大。
2. 并联电导是指:导线(信号路径)与回流路径之间的漏电流,由于介质材料是绝缘材料,介质本身电阻非常大,所以在直流条件下电阻非常大(漏电流为nA级别),可以忽略不计。
但是随着信号频率的增加,介质中偶极子运动会跟随外加电场的交变而产生移动,导致了更大的损耗:介质损耗。
3. 对于传输信号来说,不管是串联电阻还是并联电导都会造成信号的高频分量更大的损耗,高频信号分量损耗的大小决定了传输线(PCB走线)的传输带宽。而且我们还能得到一个结论:传输线越长(损耗越大),那么其传输带宽就越小。
举个栗子:传输线对信号高频分量1GHz损耗刚好=3dB,那么我们就认为该传输线的带宽就是1GHz。
4. 假定εr在频率中保持不变(在实际应用中εr会随频率升高而减小,一般FR4板材的εr在1GHz频率以内,基本上不会有变化),如下图中α为传输线衰减常数,β为相移常数:
1, 如下有损传输线信号传播速率公式所示,由于在高频时的电阻分量远小于感抗,所以高频信号分量的传播速度接近于无损传输线:V = 1/√(LC)。
2, 但在低频时电阻分量不可忽略,所以低频信号分量的传播速度小于无损传输线。
3, 所以在实际信号的传播中,其高频分量的传播速度要大于低频分量的传播速度。
这是啥意思呢?
也就是说信号的高频分量会先到达接收端,那么我们在接收端看到的波形是:信号的边沿先快后慢(边沿快说明高频分量高,边沿慢则高频分量低。该现象充分说明了高频分量传播速度更快。)。如下图所示。
对于高速信号,我们还是可以有几个方法来降低传输线损耗的问题:
1. 选用低损耗介质(不是低介电常数)。
2. 尽量减小导线长度。
3. 增加导线宽度,但这会影响差分阻抗。