如何才能減小傳輸線的損耗呢？

在《傳輸線》中我們介紹了幾種常見(jiàn)的傳輸線，其中微帶線作為現(xiàn)在應(yīng)用最廣的一種板級(jí)傳輸線，射頻學(xué)堂在之前的文章中也做過(guò)很多詳細(xì)的介紹。什么是微帶線？聊一下微帶線的不連續(xù)性和解決方法微帶線(Microstrip)和帶地共面波導(dǎo)(CPWG) 資料下載|| 微帶線和帶狀線設(shè)計(jì) 微帶短截線的特性，你注意到了沒(méi)？微帶線基礎(chǔ)——微帶元件的實(shí)現(xiàn)方法射頻工程師必知必會(huì)——微帶線作為一款常用的傳輸線，對(duì)其再多的介紹，可能都不為過(guò)。今天我們一起來(lái)學(xué)習(xí)一下微帶線設(shè)計(jì)的一個(gè)小細(xì)節(jié)——損耗。

對(duì)于任意一款射頻傳輸線，損耗都是其最重要的參量之一。對(duì)于彌足珍貴的射頻信號(hào)來(lái)說(shuō)，哪怕是一點(diǎn)點(diǎn)的損失，都會(huì)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)帶了極大的影響。對(duì)于一個(gè)射頻工程師來(lái)說(shuō)，我們一直在尋找一種損耗小的電磁波傳輸方式，如果說(shuō)損耗多小是我們的目標(biāo)，那應(yīng)該是”0“?——理想的無(wú)耗傳輸線。理想不是幻想，去年火了一陣的”常溫超導(dǎo)“，似乎給了一點(diǎn)點(diǎn)希望。如果不能為”0“，那么我們就需要在損耗”值“上下點(diǎn)功夫，如何才能減小傳輸線的損耗呢？

眾所周知，微帶線的損耗比空氣波導(dǎo)和同軸線要大得多，尤其時(shí)構(gòu)成微帶元器件時(shí)，其影響也相應(yīng)的要大很多。通常來(lái)說(shuō)，微帶線的損耗由三部分組成：介質(zhì)損耗，導(dǎo)體損耗和輻射損耗。 ① 介質(zhì)損耗 通常來(lái)說(shuō)就是微帶線的介質(zhì)基板材料，當(dāng)電場(chǎng)通過(guò)介質(zhì)時(shí)，會(huì)產(chǎn)生介質(zhì)分子交替極化和晶格碰撞，由此產(chǎn)生的熱損耗。損耗角正切是衡量介質(zhì)損耗的一個(gè)基本參量，以tanδ 表示，δ就是介質(zhì)損耗角，其物理意義是是在交變電場(chǎng)下，電介質(zhì)內(nèi)流過(guò)電流向量和電壓向量之間的夾角。損耗角正切的公式如下：

下圖給出了一般介質(zhì)材料的介電常數(shù)e，損耗角正切tanδ 和功率隨頻率變化的關(guān)系曲線。

1）當(dāng)外加電場(chǎng)頻率很低，即ω→0時(shí)，介質(zhì)的各種極化都能跟上外加電場(chǎng)的變化，此時(shí)不存在極化損耗，介電常數(shù)達(dá)最大值。 tgδ=σ/ωε，則當(dāng)ω→0時(shí)，tgδ→∞。隨著ω的升高，tgδ減小。 2）當(dāng)外加電場(chǎng)頻率逐漸升高時(shí)，松弛極化在某一頻率開始跟不上外電場(chǎng)的變化，松弛極化對(duì)介電常數(shù)的貢獻(xiàn)逐漸減小，因而εr隨ω升高而減少。在這一頻率范圍內(nèi)，由于ωτ<<1，故tgδ隨ω升高而增大，同時(shí)Pw也增大。

3)當(dāng)ω很高時(shí)，εr→ε∞，介電常數(shù)僅由位移極化決定，εr趨于最小值。此時(shí)由于ωτ>>1，此時(shí)tgδ隨ω升高而減小。ω→∞時(shí)，tgδ→0。

因此，在選擇介質(zhì)材料時(shí)，一定要注意工作頻率和其損耗角正切的對(duì)應(yīng)關(guān)系。選擇比較接近的值進(jìn)行仿真計(jì)算。比如下表羅杰斯的這兩款材料RO4003C和RO4350B，?分別給出了其在10GHz和2.5GHz的損耗角正切值。

另外，空氣雖然也具有一定的介質(zhì)損耗，但是其數(shù)值較小，在設(shè)計(jì)時(shí)一般忽略不計(jì)。這樣也就意味著部分填充介質(zhì)的微帶線，其介質(zhì)損耗要比全部填充時(shí)要低，同樣微帶線的介質(zhì)損耗也要低于帶狀線的介質(zhì)損耗。另外，在潮濕環(huán)境下，微帶線的介質(zhì)損耗也會(huì)增大。 ② 導(dǎo)體損耗 微帶線的導(dǎo)體線和接地板都只具有有限的電導(dǎo)率，電流通過(guò)時(shí)必然引起熱損耗。尤其是在高頻條件下，由于趨膚效應(yīng)減小了微帶導(dǎo)體的有效橫截面積，更增大了導(dǎo)體損耗。通常情況下，導(dǎo)體損耗是微帶線損耗的主要部分。導(dǎo)體損耗，也就是通常所說(shuō)的電阻損耗，注意射頻中的阻抗Z不是直流意義上的電阻，阻抗Z的公式如下：

這個(gè)包括電阻和電抗的參量，通常情況下電阻都是一個(gè)極小的值，小到在計(jì)算特征阻抗Z0的時(shí)候都可以忽略不計(jì)的值。

但是導(dǎo)體損耗卻是切切實(shí)實(shí)存在的，微帶線的導(dǎo)體損耗和金屬的電導(dǎo)率有關(guān)，電導(dǎo)率越高，導(dǎo)體損耗就越小。? 在計(jì)算直流或者低頻損耗時(shí)，其電阻R0可以簡(jiǎn)單的計(jì)算出來(lái)

式中，ρ是金屬材料的電阻率，也就是電導(dǎo)率的倒數(shù)；A是傳輸線導(dǎo)體部分的橫截面積。

但是隨著頻率的升高，由于趨膚效應(yīng)，其電流會(huì)越來(lái)越集中于導(dǎo)體的表面部分，并且以指數(shù)規(guī)律向內(nèi)衰減。

趨膚深度的計(jì)算公式如下：

? 也就是說(shuō)，由于趨膚效應(yīng)，導(dǎo)體損耗僅集中在厚度為δ值的導(dǎo)體范圍內(nèi)。但是微帶線導(dǎo)體條的上表面和下表面，哪一個(gè)對(duì)損耗的影響更大呢？導(dǎo)體條的寬窄對(duì)損耗有什么影響呢，我們?cè)诤竺娴奈恼轮校ㄟ^(guò)仿真來(lái)對(duì)比一下。 ③ 輻射損耗 由于微帶線屬于一種半開放式的傳輸線，其輻射或者泄露會(huì)引起一定的能量損耗，通過(guò)減小微帶線的基板厚度，其大部分場(chǎng)集中在地和導(dǎo)線之間，能夠有效減小微帶線的輻射損耗，但是由于微帶線的不均勻或者諧振，其輻射損耗會(huì)顯著增大。通常情況下，可以通過(guò)增加金屬屏蔽罩來(lái)避免輻射，減小損耗，并可以有效防止泄露對(duì)其他電路的影響。 附錄一?常用介質(zhì)基材的參數(shù)