高速PCB背后的秘密武器：老法师深度解析插入损耗！

     为了了解插入损耗，我们可以做一个简单的实验。如图所示，这是一个具有标准走线的典型PCB。出于测试目的，我将SMA连接器焊接到两端，并使用万用表测量走线的电阻，读数为0欧姆。

    接下来，我们需要一个网络分析器。通过将网络分析仪的两个端口连接到PCB的SMA连接器，我们创建了一个环路。分析仪从一端发送正弦波，并在另一端接收它。

    从逻辑上讲，输出的正弦波和接收的正弦波应该有相同的振幅。然而，在现实中，情况并非如此。网络分析仪测量两个端口的幅度(功率)并生成报告。在检查报告时，在3GHz频率下，我们看到增益减少了1.4dB。这意味着在通过PCB后，正弦波的振幅只有原来的72%左右，剩下的28%在PCB走线中丢失。这种损耗被称为插入损耗。

即使走线阻抗几乎为零，信号仍然衰减。插入损耗主要包括三个部分:

1. 介质损耗：

    在电场作用下，绝缘材料由于介电传导和极化滞后而产生能量损失。简单地说，部分信号的能量被PCB的基板吸收，类似于食物在微波炉中吸收电磁波

2. 导体损耗：

    当交流电流过导体时，会产生趋肤效应，使电流集中在导体表面附近的薄层上。高频电流的趋肤效应更严重，通常沿着导体表面流动，减少了有效截面积，增加了电阻。此外，铜箔的表面不是完全光滑的;细微的不规则增加了电流路径长度，进一步增加了串联电阻并导致额外的损耗。

3. 辐射损耗：   

    任何电线都可以等效作为天线，辐射一部分能量并导致信号衰减。

    这三种类型的损耗会导致PCB走线中的信号衰减或失真。测试数据还表明，插入损耗与正弦波频率呈正比，频率越高，损耗越大。插入损耗会损害信号的完整性，因为任何方波信号都可以分解成多个不同频率的正弦波。虽然低频分量有效地通过走线，但高频分量衰减明显，导致输出端的方波失真。

    通常，在诸如UART或SPI等应用中使用的方波频率相对较低(通常只有几十兆赫兹)。即使高频分量被衰减，信号失真也是最小的。然而，在更高的频率下，例如在数十GHz的DDR信号中使用的频率，插入损耗成为一个关键问题。

我们如何减少插入损耗?为了解决这个问题，我们进行了一个实验测试，比较了不同材料和线路长度的影响。在实验中，我们使用9cm FR-4材料、9cm Teflon材料和27cm FR-4材料进行对比。

    从实验结果可以看出，Teflon材质的PCB板的插入损耗低于FR-4材料，而第三种PCB板的插入损耗最高。因此，我们可以得出以下两个结论:

    1.PCB的走线长度越短，插入损耗越小。

    2.改变PCB基板材料也可以减少插入损耗。

    然而，我们在这里主要减少的是介电损耗，它间接地减少了插入损耗。这就引出了一个问题:我如何确定使用哪种衬底材料来减少插入损耗?答案很简单;我们应该关注材料的介电常数和损耗正切。一般来说，介电常数和损耗正切越低，插入损耗越小。例如，FR-4的介电常数为4.2-4.8，损耗正切为0.014-0.02，而Teflon的介电常数为2.55-2.94，损耗正切为0.001。

    虽然低插入损耗材料可以显著提高信号完整性，但成本考虑也很重要。像Teflon这样的高质量材料的价格通常是FR-4的5到10倍。在大多数情况下，成本控制仍然是一个优先事项，即使是具有大量高速信号的pcb，如主板和显卡中的pcb，通常也使用FR-4作为标准材料。

    为了减轻由FR-4引起的信号衰减，芯片制造商通常采用预增益电路。虽然高频成分往往会衰减，但在传输端增强它们可以确保接收到的信号即使在衰减后也保持信号完整。因此，只要走线长度保持在合理的范围内以避免过度衰减，FR-4仍然是高速数字电路的推荐材料。

    在高速PCB设计中，插入损耗是影响信号完整性的重要因素。虽然低插入损耗材料可以提高信号传输质量，但也必须考虑成本效益。通过仔细选择PCB基板和优化走线设计，可以在性能和成本之间取得平衡，同时确保信号完整性和系统可靠性。

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