高速电路设计之介质损耗大还是导体损耗大？

周二, 28 五月 2019 - 11:13

作者：蒋修国，来源：<a href="https://mp.weixin.qq.com/s?src=11&timestamp=1559013122&ver=1633…;信号完整性微信公众号 </a>

前段时间被问到在高速电路中，到底介质损耗大还是导体损耗大，这个问题比较有意思，这里涉及到了两个比较概念，一个是高速电路，一个是损耗。

以前有介绍过，高速电路是一个比较泛的概念，有的人认为几十MHz的电路就叫高速电路，有的认为电路传递信号的上升时间是传输线传输延时的1/4（1/6）的电路叫高速电路，还有的认为速率达到GHz以上的电路才叫高速电路。

而损耗是指能量的衰减。那在高速电路中能量衰减的形式比较多，常见的就是标题上所说的介质损耗和导体损耗，还包括大家容易忽略的辐射损耗，当然，能量是守恒的，也可能还有其它类型的损耗存在。

还是回到本文要介绍的介质损耗和导体损耗这个问题上来。介质损耗指的是指介质材料在电场作用下，由于介质电导和介质极化的滞后效应，在其内部引起的能量损耗。这主要与PCB介质的损耗因子有关。导体损耗是指导体不理想，存在直流电阻，在电流通过时发热而引起的损耗，这主要与PCB导体的趋肤效应、粗糙度和导电率（电阻率）有关系。

那到底哪种损耗大呢？可以通过一个电路来研究下现象（声明：本实验并不是特别严谨，仅限于解释这个问题现象），电路结构如下图所示：
<img alt="电路结构" data-align="center" data-entity-type="file" data-entity-uuid="4fa38259-d0f7-46c8-b625-b2cc203d0c28" height="312" src="/sites/default/files/inline-images/%E5%9B%BE1%EF%BC%9A%E7%94%B5%E8%B7%AF%E7%BB%93%E6%9E%84.png" width="674" />
注：绿色圈中的是介质损耗相关的参数，红色圈中是导体损耗相关的参数（注：传输线的物理结构保持一致，他们其实都与损耗有关系）。

当只考虑介质损耗时,Cond=5.8e70,Rough=0 um,TanD=0.02；当只考虑导体损耗时,Cond=5.8e7,Rough=2 um,TanD=0。仿真结果如下：
<img alt="仿真结果" data-align="center" data-entity-type="file" data-entity-uuid="10e6f57e-13c4-4354-b24d-d0735fe29d91" height="393" src="/sites/default/files/inline-images/%E5%9B%BE2%EF%BC%9A%E4%BB%BF%E7%9C%9F%E7%BB%93%E6%9E%9C.png" width="596" />
所以从上面的仿真对比结果中可以看到，介质损耗和导体损耗在不同的频率段的时候，其贡献的大小不一样。因为影响介质损耗的损耗因子就随着频率的变化而变化，如下图所示：
<img alt="仿真对比结果" data-align="center" data-entity-type="file" data-entity-uuid="4f840d9b-f882-4889-ac0f-48c6f3fe22e2" height="389" src="/sites/default/files/inline-images/%E5%9B%BE3%EF%BC%9A%E4%BB%BF%E7%9C%9F%E5%AF%B9%E6%AF%94%E7%BB%93%E6%9E%9C.png" width="575" />
同样，趋肤效应的影响也随着频率的变化而变化，频率越高，趋肤深度也越大。

综上所述，在高速电路中到底是介质损耗大还是导体损耗大这个问题无法一概而论，需要根据实际情况而定。