传输线:直流之旅,第2部分

在本专栏的第2部分,我们将一步一步地从直流传输线向前向上到频谱,探索从超低频到超高频的特性。在第一部分中,我们探讨了直流无穷大电阻到GHz区域,特征电阻在这个区域达到稳定值, 50欧姆。第2部分中,我们将看看导致导线损耗,在传输导线中抢走其信号能量的机械装置。

下面的图像,图1,显示了在1GHz到20GHz的范围之间,电阻幅度呈现扁平。

图1:在1GHz到20GHz的范围内,电阻幅度呈现扁平,为50欧姆。

因此,从直流到GHz区域,我们可以看到特征电阻从直流的无穷大变为50欧盟的稳定状态。

当然,肯定还有什么事情在更高的频率中发生了。每个人都询问了当数据传输速率传输到多GHz区域是的导线性能。虽然瞬时阻抗保持大体不变,但是该导线不能再被视为无损耗,因为当信号在导线内传输时,有一定量的机械损失抢走了信号。

趋肤深度

趋肤深度是首先要被考虑到的机械损失。由于机械损失增加了,电流持续地在一个较薄的层上流动,越来越接近轨迹表面,这降低了电流的有效截面可用性,因此变流电阻增加,成为依赖于几乎所有电流都在轨迹表面上流动的那个点的频率。

图2显示,即使在相对温和的频率,100MHz,导体中电流的趋肤深度只能渗透到6微米的深度——在1GHz时,它下降到一个单微米深度,只是可用导体的一小部分:

图2:在频率为100MHz时,导体中的电流的趋肤深度只能渗透到6微米处。

下面的图像,图3,显示了在这种结构的100MHz左右,整体损失仍然相对较低,大约按5/50,分成导体损失和介质损失。

图3:在100MHz时,整体损失仍然偏低,大约按50/50分为导体损失和介质损失。

现在问问你自己:“需要什么来促进铜的黏附?”通常情况下,表面很粗糙,鉴于所有电流都是在轨迹表面流动,铜的粗糙度产生了第二个剥夺信号能量的力量。(参见图4和5)。

图4:与粗糙度相关的损失。

图5:指定RMS粗糙度。

一个5微米RMS粗糙度(图5),有效地把频率上放的导体损失增加了一倍(图4),但是,因为我们在频段上,趋肤效应产生损失,虽然继续增加,但是只是增加了频率的平方根的比例。

contribution is from conductor losses.

介电损失

介电损失,出现在上频率的非常低的水平,不断地直接增加频率的比例,也就是说,当你向上移动时,介电损失最终成为了主要的机械损失。当基底充电和放电时,介电损失是热能损失。有很多的基础材料,从损耗很大的,到超低损耗的,但无论是什么材料,在某一个点上,介电损失都会成为主要的机械损失,显然这种转变会发生在低损耗材料的更高频率上。

图6显示了图形细节。为了清晰起见,我已去除了表面粗糙度的影响,但从图中可以清楚地看到,直到100GHz为止,每英寸的8dB的损失,导体损失的贡献只有0.4dB。

图6:介电损失和导体损耗。

你已经看到了:从直流到100GHz。我认为这的确是远远不够的,但如果这能够激起想要更深入地去了解的胃口,我强烈推荐以下读物:Dr. Eric Bogatin, Signal Integrity Simplified; Dr. Howard Johnson and Dr. Martin Graham, High Speed Signal Propagation – Advanced Black Magic; and Stephen Hall, Garrett Hall and James A McCal, High Speed Digital System Design.