传输线的损耗

损耗是传输线的一个非常重要的效应，传输信号的速率越高损耗的作用越明显。尤其对于串行的serdes链路，如何最小化损耗、选择合适的板材和铜箔往往是高速传输成败的关键。本节重点介绍一下传输线的损耗。这里将的损耗是插入损耗，并没有包含由于阻抗不连续导致反射产生的回波损耗。

前面已经讲到反射、串扰两种传输线效应，这一节我们就来将损耗。

在讲损耗之前我们先回顾一下传输线的RLCG模型:

以及传输线特征阻抗的公式：

其中R代表了导体的损耗，G代表了介质的损耗，这两部分损耗也就构成了传输线损耗的主要来源。

损耗的分类

由传输线阻抗公式，我们可以大体将传输线损耗分成导体损耗和介质损耗，损耗的分类如下所示：

本节我们来重点介绍一下导体损耗：

导体损耗

直流损耗

导体损耗又包含直流损耗、交流损耗，导体的直流损耗就是导体的直流电阻引起的损耗。导体直流损耗的计算公式如下：

其中， $\rho$ 是导线的体电阻率，单位是ohm•inch

Len是传输线长，inch

W是传输线线宽，inch

t是传输线的厚度，inch

导体直流损耗一般都比较小，通常情况下我们比较关心的是交流损耗。

交流损耗

研究交流损耗就必须了解趋肤效应的概念。所谓趋肤效应就是随着电流频率的升高，导体内部电流趋向分布于导体的表面，这就导致电流流过导体的横截面积减小了，电流感受到的电感和电阻就随电流频率升高而增加，从而产生更大的损耗。

下图展示了频率分别为60Hz、1000Hz、400KHz的三个正弦波信号在圆柱形导体流过时电流的分布情况。用颜色的深浅表示出了电流分布的不同，颜色越深表示电流密度越大。可以看到对于60Hz的信号趋肤深度为6inch，1KHz的信号趋肤深度为0.2inch，400KHz信号的趋肤深度为0.03inch。

趋肤深度随着频率变化的趋势如下图所示。我们可以清楚的看到从DC开始随着频率的提高，趋肤深度在迅速的降低，在5GHz时仅仅只有1um。

下图展示了传输线的信号路径和返回路径上电流的分布情况，越亮的地方表示流过导体的电流密度越高，暗的地方表示流过电流密度很低。虚线上方是微带线的情况，虚线下方为带状线的情况。

由上面的讨论可知，趋肤深度是频率的函数，频率越高、趋肤深度越小，导体传输信号的有效横截面积就越小，这就导致了相同的传输线、相同的导体对不同的频率的信号表现出不同的损耗特性。正是由于趋肤效应的存在，导致在高频情况下，铜的厚度对传输线阻抗影响变得非常小。

导体粗糙度产生的损耗

铜的表面并不是绝对光滑的，如果用显微镜去观察传输线的表面也是充满了高山沟壑，所以信号在传输线上传输并不是一马平川，而是充满了荆棘的。下图为实际PCB的切面图，我们可以清楚的看到传输线表面的粗糙度。铜的粗糙度配合趋肤效应，就大大的放大了导体的损耗。可以想象，频率越高的信号趋肤深度越小，当趋肤深度比传输线上的粗糙程度还小的时候，信号还怎样传播呢？多少高频的信号成分“牺牲”在传输的路途中无法到达终点，导致接收端接收到的信号失真。因此，面对速率不断提高的需求，必须想办法缓解铜的粗糙度带来的损耗。

不同的粗糙度对传输线插入损耗的影响：

为了应对高速信号对低损耗的需求，板材厂家又推出了不同粗糙度的铜。如RTF（Reverse Treat Foil）铜，比标准铜更光滑一些；VLP（Very Low Profile）低粗糙度的铜箔；HVLP（ultra Low Profile）极低粗糙度铜。在设计中我们可以根据损耗的需求选择合适的铜箔。

需要注意：

（1）VLP、HVLP的铜箔并不常用，所以一般的厂家可能没有现货。项目比较紧急的情况下就需要提前预订了。

（2）不是使用了VLP或HVLP铜箔就一定能获得低粗糙度。在PCB的制造过程中，铜箔附着在PCB之前需要进行氧化处理（棕化）以提高铜箔的附着力。如果这个过程不加控制很可能会恶化铜箔的粗糙度。所以在高速PCB制板前一定要调研好厂家的加工能力。

关于导体的损耗就介绍这么多，下一节我们来看一下介质的损耗。

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