姜傑 | 文
我夢中的信號通道是無損傳輸線，有一天它會身披光滑銅箔，腳踏「無損」板材來搭救我的高速信號。夢想很豐滿，現實卻很骨感，「無損」板材和表面粗糙度為零的絕對光滑銅箔在工程應用中並不存在，所以，殘酷的現實是「損耗易把能量拋，緩了邊沿，降了眼高」。
信號在傳播過程中的能量損失不可避免，傳輸線損耗產生的原因有以下幾種：導體損耗，導線的電阻在交流情況下隨頻率變化，隨著頻率升高，電流由於趨膚效應集中在導體表面，受到的阻抗增大，同時，銅箔表面的粗糙度也會加劇導體損耗；介質損耗，源於介質的極化，交流電場使介質中電偶極子極化方向不斷變化，消耗能量；耦合到鄰近走線，主要指串擾，造成信號自身衰減的同時對鄰近信號帶來幹擾；阻抗不連續，反射也會導致傳輸的信號損失部分能量；對外輻射，輻射引起的信號衰減相對較小，但是會帶來EMI問題。其中，介質損耗和導體損耗是傳輸線上信號衰減的根本原因，也是本文介紹的重點。
想要搞清楚導體損耗，需要理解趨膚效應及導體表面粗糙度產生的影響。高頻電流流過導體時，電流會趨嚮導體表面分布，頻率越高，靠近導體表面的電流密度越大，這種現象稱為趨膚效應（如下圖所示，導體上顏色越淺代表電流密度越大）。
趨膚效應
從電磁場的角度理解趨膚效應頗費周折，而從阻抗的角度分析，會令你豁然開朗，趨膚效應可以認為是電流尋求最低阻抗路徑的趨勢造成的，在高頻時，路徑阻抗主要由迴路電感決定，為尋找迴路電感最低路徑，電流在導線上的分布會儘量伸展開以減少導線自感（可解釋寬走線有利於減少傳輸線的損耗），同時，返迴路徑中的反向電流會儘量靠近信號路徑表面以減小迴路電感。電磁波強度衰減到表面場強1/e的深度稱為趨膚深度，高頻時，銅導線中電流經過的趨膚深度δ計算公式如下：
隨著信號速率的增加，趨膚深度減小，意味著過流面積的減小，交流電阻增加。雪上加霜的是，實際的導體表面並非絕對光滑，而是具有一定的粗糙度。而且在PCB加工過程中，為增加銅箔與板材的結合能力，還會進行粗化處理，進一步加劇了導體損耗。通過微觀切片所看到的PCB走線的截面結構如下圖示，不難看出，信號線的表面是非常粗糙的。
當趨膚效應遇上粗糙的表面，等待高速信號的將是「摩擦摩擦，似魔鬼的步伐」。
讓人頭大的是，粗糙的銅箔不像粗糙的嘴唇，一支唇膏就能搞定。
為了滿足信號損耗的需求，需要根據實際情況選擇不同表面粗糙度的銅箔，以此為劃分標準，銅箔可以分為STD(標準銅箔)、RTF(反轉銅箔)、VLP(低表面粗糙度銅箔)以及HVLP(超低表面粗糙度銅箔)。
明白了導體損耗產生的原因，也就不難理解高速信號疊層設計時為何會選擇表面粗糙度較低的銅箔了。如下圖所示，相同材料不同的銅箔類型損耗曲線對比。從仿真結果可以看出在5GHz以下銅箔的影響不是太明顯，但在5GHz以上銅箔的影響開始越來越大，所以我們在高速信號(尤其>10Gbps)的設計和仿真中需要關注銅箔表面粗糙度的影響。
講完導體損耗，再來聊聊介質損耗。構成板材的玻纖和樹脂等絕緣材料介質中的帶電粒子被束縛在分子中，外加電場會使其產生微觀位移，使介質中的偶極子隨電場方向規則排列，這種現象稱為介質的極化，極化過程產生的能量損失稱為介質損耗。介質損耗同樣會造成高速信號的衰減。
需要注意的是，區別介質的相對介電常數（Dk）與耗散因子（Df）的概念。相對介電常數描述了材料影響電容量和電磁波傳播速度的係數度量，涉及偶極子與電場的不同相運動並引起電容變化；耗散因子（Df）則描述了參與運動的偶極子數量及運動劇烈程度隨頻率提高的係數度量，涉及偶極子與電場的同相運動並引起損耗。介質損耗與Dk和Df有直接關係，Dk/Df越小（穩定），損耗也越小（穩定），合理穩定的介質參數可以在工程應用上更好的控制產品的性能。
為了能讓大家對於介質損耗有個直觀印象，不妨看個例子。同樣的12inch線長，使用不同損耗級別的材料所測得的損耗曲線如下圖示，在10GHz的頻點，普通FR4(普通損耗級別)的損耗為-15dB，而如果使用TU（低損耗級別）的損耗僅-7.5dB，如果有高速信號要求插損在10GHz的時候需要小於-12dB，那麼使用普通FR4的材料就不能滿足要求，必須使用損耗級別更低的材料。
導體損耗及介質損耗會影響高速信號電氣性能，了解傳輸線損耗理論有助於我們在疊層設計時根據損耗要求，結合信號的速率及走線預估長度進行綜合評估，選擇合適的板材和銅箔類型。
提問
高速信號疊層設計時需要關注哪些地方？
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