硬件-传输线的损耗

  • 趋肤效应和导体损耗
    在一阶模型中,传输线由电容和电感组成,二者均不是耗能器件,所以一阶模型是一个无损的理想模型,而实际上传输线是有损耗的,其主要损耗来源于:导体损耗和介质损耗
    导体损耗:电阻产生的损耗。
    在信号传输时,信号会沿着阻抗最小的路径前进,而信号路径上的阻抗主要由电阻和电感产生的感抗组成。在低频时,感抗非常小,主要由电阻决定,在高频时,感抗占据主导地位,于是电流会沿着寻找一条电感最小的路径。导线中的电流会尽可能的延展开来使导线的自感最小,同时,导线中的电流会尽量接近回流路径,也会将回流路径上的电流拉到自己身边,使得信号路径和返回路径的互感增大,从而达到减小有效电感的目的,这就是趋肤效应。


    在趋肤效应下,导线的有效横截面积不再是导线的横截面积,而是电流流过的面积,其电阻计算公式为

    导体损耗还和材料表面的粗糙度有关,当发生趋肤效应的时候,若粗糙,电流流过的路径会变长。
  • 损耗正切角与介质损耗
    用耗散因素来表示介质的损耗性能,符号是tan(e),其真实的含义是复平面中材料复介电常数实部与虚部的比值。

    介电常数的实部就是我们看到的介电常数,表示材料储存电荷的能力,电容产生的电流是垂直于电压方向的,不做功。而介电常数的虚部,描述的是材料的漏电特性,其产生的电流与电压方向相同,也就是与电容所产生的电流方向垂直。
    耗散因素可以在材料手册里查到,除了以tan(e)表示,通常叫做dissipation factor(DF),耗散因素越低越好。
材料 相对介电常数 耗散因素
FR-4玻璃纤维板 4.0-4.7 0.02
无卤FR-4 4.1 0.011
常用高速材料 3.2-3.8 0.003-0.008
RogersRF35材料 3.5 0.0018
聚四氟乙烯PTFE 2.2 0.001
空气 1 0
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