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技術動態

高頻PCB插入損耗與趨膚效應的相關研究

01
什么是插入損耗?

可能很多人不清楚什么是插入損耗,簡言之,由于在傳輸系統的某一點插入元件、連接器或設備而造成的負載功率損失,一般用分貝表示在設備插入前負載接收到的功率與插入后負載接收到的功率的比值。如果源發送的功率是P1,負載接受的功率是P2,那么插入損耗是由P1/P2,顯然,這個比值總是小于1,當然,為了實現最大的功率傳輸,插入損耗應盡可能小,換句話說,P1/P2應該盡可能趨近于1,這在分貝中意味著盡可能接近于0dB。

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02
插入損耗影響因素

一般情況下,插入損耗是由于PCB與連接器之間的阻抗差異或阻抗失配造成的,插入損耗通常用來表征射頻微波系統的總損耗。

如果只看PCB本身,插入損耗表現為四種形式:介質損耗、導體損耗、漏泄損耗和輻射損耗。導體損耗和介質損耗是傳輸線上信號衰減的根本原因,就PCB生產工藝而言,如銅箔類型、銅箔粗糙度、棕黑化處理、表面涂覆層等都會影響到插入損耗。

03
PCB插入損耗與趨膚效應

為什么銅箔的粗糙度及表面處理這些會對插入損耗造成影響呢?這里我們需要談一個東西——趨膚效應。

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過去,時鐘頻率只有10MHz。在低頻時,電流在導體內部的分布密度是均勻的。但在高頻時,導線表面的電流密度變大,而中心區域幾乎沒有電流流過。即絕大多數的電流聚集在靠近導體的外表面。實際上,環管間的互感也迫使電流緊貼著導線的外表面流過。這個現象我們成為“趨膚效應”,對于一般的銅箔材料而言,在1GHZ時,線材中的電流傳輸范圍會在銅表面2.5μm左右,在10GHZ時則會到達1μm左右。顯然,信號頻率越高,趨膚效應也越強。

  1.  這樣我們可以知道,在高頻信號下,電流沿銅箔表層傳輸,而銅箔表面銅牙一般會在幾微米,此時電流傳輸會因為銅箔表層不平滑而受到一定的干擾,這樣必然會在一定程度上影響到信號傳輸,造成插入損耗。

  2. PCB工藝中,在內層芯板加工時,為提高銅表面與預浸材料之間在層壓后的結合力,會采用棕化或者黑化的氧化處理工藝。二者雖然作用相同,但原理不同,帶來的銅箔粗糙度變化也不相同。相對應的,也會因此而帶來不同的損耗影響,相對而言,影響并不是很大。

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  3. 對于表面處理而言,如化金、化銀、化錫對插入損耗的影響都是不同的,因為在高頻信號下,電流傳輸會趨向于表面的金層、銀層、錫層,首先是這幾種材料的電阻率,其次是表面處理的厚度,都會產生不同的影響。

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總結

綜上所述:銅箔的光滑確實可以大幅提升信號傳輸質量,且這種優勢因趨膚效應隨頻率升高的愈發顯著而在高頻應用中顯得更加明顯。做高頻板的廠商應當關注這一問題。

如果您需要做PCB的插損測試或者了解更多關于PCB插入損耗的技術內容,隨時歡迎交流。


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