PCB射频线的传输损耗估算方法

Lumhao

微带线Microstrip和带地共面波导CPWG是PCB上射频电路的常用实现方法，本文分析射频电路传输线插入损耗，包括微带线导体损耗和介质损耗的综合插损分析，帮助工程师选择合适的板材，根据信号工作频率和PCB特性，快速估算PCB上的信号传输功率和损耗。


PCB走线阻抗的决定因素是信号线宽w、信号线厚t、介质层厚度h、介电常数εr 。常规来说阻抗与介电常数成反比,与介质层厚度成正比,与线宽成反比,与铜厚成反比。阻抗计算工具常用Si9000还有ADS等软件，简单估算微带线阻抗公式如下：Z0=87/SQRT(εr+1.41)×ln[(5.98h)/(0.8w+t)]

传输损耗
PCB传输线的总损耗称为插入损耗（αt）。它是导体损耗（αc），介电损耗（αd），辐射损耗（αr）的总和。
αt=αc+αd+αr
导体损耗：也就是有射频传输线线导体带条和接地金属板引起的损耗，毕竟这些金属导体具有有限的导电率，电流通过时会引起电阻损耗。
介质损耗：当电磁波通过介质材料时，由于介质分子交替极化和晶格碰撞产生的热损耗称为介质损耗，通常用损耗角正切 tan δ 来表示。损耗角正切越小，介质损耗越小。
辐射损耗：微带线和CPW的场分布是半开放的，会有部分能量向周围空间辐射，造成辐射损耗，辐射损耗与线宽w成反比。在微带线的不连续点，辐射会比较显著，会对整个射频系统的EMI 带来比较大的影响。通常情况下，辐射损耗不能用简单公式估算，考虑精确50Ω阻抗情况下，选择合适的PCB参数对应更宽的线宽，而且一般加装金属屏蔽罩来避免辐射，减小辐射损耗和对其他电路的干扰。

忽略辐射损耗，则传输损耗：

αt=αc+αd

长度为l的传输线的信号衰减：

dB Loss = 20lg(AF) = -10lg(e)*(R/Z0+G*Z0)

αc_dB=-10lg(e)*R/Z0l

αd_dB=-10lg(e)*G*Z0l

αt_dB=αc_dB+αd_dB

30G以上基础微带线结构辐射泄漏损耗较大，总的损耗较大，色散严重，推荐使用带共面并行接地的CPWG。

金属损耗

趋肤深度 δ=sqrt(ρ/(μ0·π·f))
ρ是导体电阻率，μ0是真空磁导率，f是信号频率
传输线导体上电磁能量主要集中在介质接触面和两侧：w+2t
传输线导体单位长度等效分布电阻：
Rt=ρ/(w·δ)=sqrt(ρ·μ0·π·f)/(w+2t)
微带线地平面电磁波作用宽度约为2(w+2t)，地导体电阻:
Rg=½Rt
因此，总电阻
R=Rt+Rg≈1.5Rt
αc = R/(2Z0)
传输线导体损耗：
αc_dB = -10lg(e)*R/Z0


介质损耗
损耗角正切（tanδ）是衡量电介质损耗的重要参数
介质中信号波长
λe = λ/sqrt(ε)

αd = tanδ·π·sqrt(ε)/λe
αd_dB = -20lg(e)*tanδ·π·sqrt(ε)·f/c0
PCB传输线中总的损耗：
αt_dB=αc_dB+αd_dB


文章转自射频攻城狮公众号

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