當(dāng)今的高速PCB設(shè)計(jì)具有兩個(gè)因素：移動(dòng)大量數(shù)據(jù)和信號(hào)帶寬，頻率范圍高達(dá)非常高的頻率。結(jié)果，有幾件事會(huì)影響這兩個(gè)因素。在“如果您做得不好，您將死在水里”列表頂部的那些元素中，損失很小。在設(shè)計(jì)過(guò)程中有很多事情會(huì)影響損耗，但是要做出的基本決定是所選層壓板的介電損耗正切值。簡(jiǎn)而言之，介電損耗正切將限制PCB上傳輸線的有效長(zhǎng)度，因?yàn)樗鼤?huì)導(dǎo)致信號(hào)電平在傳播過(guò)程中降低。

本文將介紹介電損耗角正切，它在高速設(shè)計(jì)中的作用，它如何取決于玻璃與樹(shù)脂的比率和頻率，如何測(cè)量它以及對(duì)當(dāng)今產(chǎn)品的影響。對(duì)于以32 Gbps速度運(yùn)行的電路板，我們將研究為什么構(gòu)建測(cè)試板對(duì)于合格損耗正切的必要性。

介電損耗角正切有時(shí)稱為耗散因數(shù)，其符號(hào)為Df。在傳輸線的設(shè)計(jì)和RF設(shè)計(jì)中，電介質(zhì)損耗角正切與黃褐色（定義δ ），這是在其中由電磁場(chǎng)（RF）通過(guò)電介質(zhì)行進(jìn)攜帶的能量由電介質(zhì)吸收的速率的量度。當(dāng)一種材料被稱為“高速”時(shí)，它就是Df值。需要牢記的一些要點(diǎn)包括：

在PCB和微波組件使用的頻率下，電介質(zhì)吸收的能量通常隨頻率增加，直到進(jìn)入高GHz范圍。

損耗隨頻率增大，這是因?yàn)椴粩嘧兓碾姶艌?chǎng)導(dǎo)致電介質(zhì)中的分子振動(dòng)。它們振動(dòng)得越快，損失就越大（下文對(duì)此進(jìn)行了更多介紹）。

材料的損耗角正切值越低，功率損耗就越低。

就材料的介電常數(shù)而言，任何材料的介電損耗角正切都有一個(gè)簡(jiǎn)單的方程：

如果知道介電常數(shù)的虛部和實(shí)部，則可以計(jì)算損耗角正切。如果查看PCB層壓板數(shù)據(jù)表，通常會(huì)看到介電損耗正切值和Dk值。只需將它們相乘即可得到介電常數(shù)的虛部。

都是分子的

PCB中使用的頻率下電介質(zhì)的損耗是由于分子由相反的電荷形成而形成，該電荷可以相互吸引和排斥。如果分子中的原子由于電場(chǎng)而移離平衡狀態(tài)，則它可以開(kāi)始振蕩。所有材料都將具有一定的損耗角正切，即使在大多數(shù)PCB使用的頻率下?lián)p耗很小。

例如，考慮具有極性和非對(duì)稱結(jié)構(gòu)的水。有一個(gè)氧原子和兩個(gè)氫原子形成V形，其中氧原子為負(fù)端，氫原子為正端。當(dāng)水分子經(jīng)受變化的電場(chǎng)時(shí)，它會(huì)振動(dòng)。請(qǐng)注意，分子動(dòng)能與溫度直接相關(guān)，因此，傳播場(chǎng)引起的分子振動(dòng)會(huì)導(dǎo)致基板中的溫度升高。這就是為什么微波爐可以工作的原因。食物中的水由于電場(chǎng)的振動(dòng)而達(dá)到高溫。由于在極性分子的不同區(qū)域中更大的電荷分離，所以分子與非極性分子相比可以具有更高的介電損耗角正切。

表1中的信息表明，用于制造多層PCB的大多數(shù)材料具有相對(duì)較高的損耗。（要?dú)w類為低損耗，損耗角正切應(yīng)低于.004。）

表1.某些常見(jiàn)層壓系統(tǒng)的特性

PCB設(shè)計(jì)人員面臨的挑戰(zhàn)是確定一種材料何時(shí)損耗太大，必須用損耗更低的替代品來(lái)代替。由于損耗是頻率和傳輸線長(zhǎng)度的函數(shù)，因此沒(méi)有簡(jiǎn)單的規(guī)則可用來(lái)確定何時(shí)必須進(jìn)行切換。

介電損耗角正切，頻率和玻璃與樹(shù)脂的比率

給定的PCB層壓板由樹(shù)脂體系和玻璃纖維增強(qiáng)布制成，每一種都有不同的損耗角正切值。因此，由于使用不同比例的玻璃和樹(shù)脂來(lái)制作具有各種厚度的PCB層壓板，因此總損耗角正切值將有所變化。當(dāng)信號(hào)完整性工程師僅獲得一組層壓板的單個(gè)損耗角正切值時(shí)（例如Panasonic及其Megtron 6材料系統(tǒng)），這就會(huì)給信號(hào)完整性工程師帶來(lái)問(wèn)題。表2顯示損耗角正切如何隨頻率和玻璃與樹(shù)脂的比率變化。這是Isola Corporation的FR408HR核心材料的數(shù)據(jù)。

該表包含一個(gè)特性良好的PCB層壓板系統(tǒng)的示例。可以看出，介電損耗角正切隨頻率增加的幅度大于其隨玻璃與樹(shù)脂之比變化的幅度。這是因?yàn)椋谠擉w系中，樹(shù)脂體系和玻璃的損耗角正切非常接近。在其他樹(shù)脂體系中，這可能有所不同。

測(cè)量數(shù)字層壓板的介電損耗正切

本文末尾的參考文獻(xiàn)2顯示，IPC記錄了23種不同的方法來(lái)測(cè)量層壓板中的介電損耗角正切。這些方法中的每一種都是針對(duì)特定應(yīng)用開(kāi)發(fā)的。由于首先需要低損耗層壓板的應(yīng)用是微波和RF，因此大多數(shù)測(cè)試方法已針對(duì)特定類型的電路（如相控陣?yán)走_(dá)）進(jìn)行了優(yōu)化。與超高速數(shù)字電路的需求相比，這些應(yīng)用可被視為“窄帶”。

這些方法中只有一種方法以可用于數(shù)字多層PCB設(shè)計(jì)的方式表征層壓板。已證明與帶狀線傳輸線構(gòu)造的PCB上進(jìn)行的實(shí)際測(cè)試具有最佳關(guān)聯(lián)。所有其他方法都使用諧振腔或其他類型的測(cè)量單元，這些單元在狹窄的頻率范圍內(nèi)表征層壓板，并且它們都有一些誤差。

介電損耗正切數(shù)據(jù)不完整時(shí)該怎么辦？

典型的層壓板數(shù)據(jù)表沒(méi)有包含足夠的有關(guān)介電損耗的信息，因此無(wú)法對(duì)高速數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)路徑中的潛在損耗進(jìn)行正確的建模和分析。那么，如何才能確保設(shè)計(jì)在最終構(gòu)建時(shí)能夠按規(guī)格工作？工程師在開(kāi)發(fā)使用最新高速數(shù)據(jù)鏈路的產(chǎn)品時(shí)，都會(huì)出現(xiàn)這個(gè)問(wèn)題。由于需要精確地考慮銅走線的損耗，這可能會(huì)更加復(fù)雜，銅走線的損耗受走線的總表面積以及銅表面粗糙度的影響。

即使準(zhǔn)確知道損耗角正切，也沒(méi)有可靠的方法可以對(duì)所有這些效應(yīng)進(jìn)行建模。因此，產(chǎn)品開(kāi)發(fā)人員別無(wú)選擇，只能用實(shí)際的傳輸線構(gòu)造測(cè)試PCB。將其用于最終產(chǎn)品并進(jìn)行測(cè)試以確定所考慮的層壓板的損耗與頻率的關(guān)系，并查看是否可以達(dá)到目標(biāo)。這是為高性能系統(tǒng)構(gòu)建設(shè)計(jì)規(guī)則集的唯一安全方法。圖1是兩套實(shí)際測(cè)試PCB的照片，幾年前我們使用它們來(lái)驗(yàn)證超級(jí)計(jì)算機(jī)中的路徑為5.2 Gb / S和TB路由器中的路徑為4.8 Gb / S。這些測(cè)試PCB的設(shè)計(jì)使其在插入在一起時(shí)將創(chuàng)建子板/背板接口，以及從背板和子板到外界的接口。

圖2. 5.2 Gb / S和4.8 Gb / S數(shù)據(jù)路徑的測(cè)試PCB集

那么，如何為當(dāng)今的32 Gb / S和56 Gb / S數(shù)據(jù)路徑進(jìn)行設(shè)計(jì)呢？

當(dāng)您設(shè)計(jì)具有32 Gb / S或56 Gb / S數(shù)據(jù)路徑的產(chǎn)品時(shí)，您必須構(gòu)建測(cè)試板以確保產(chǎn)品能夠按設(shè)計(jì)工作，這可能不足為奇。Speeding Edge的創(chuàng)始人兼總裁Lee Ritchey指出：“一旦進(jìn)入這些數(shù)據(jù)路徑，損耗正切就變得更加令人擔(dān)憂。您可以構(gòu)建類似于上述內(nèi)容的測(cè)試板。您只需測(cè)量更遠(yuǎn)的頻率即可。這些數(shù)據(jù)速率支配著產(chǎn)品的性能，它們決定了板上的路徑長(zhǎng)度。等式非常簡(jiǎn)單，路徑越長(zhǎng)，損失就越大。”

32 Gb / S和56 Gb / S的速度下，您將超越極限。” 相比之下，光纖通道的損耗要少兩個(gè)或三個(gè)數(shù)量級(jí)。當(dāng)大型機(jī)器（例如用于掃描半導(dǎo)體的機(jī)器）之間存在盒對(duì)盒連接或截面到截面空間時(shí)，在很多地方都必須使用光纖。這是痛苦的昂貴，因?yàn)樵诼窂降拿恳欢硕急仨氂幸粋€(gè)收發(fā)器，每個(gè)收發(fā)器的價(jià)格為50美元。因此，激勵(lì)措施是留在銅中。在10 Gb / S服務(wù)器場(chǎng)中，我們對(duì)收發(fā)器進(jìn)行了改進(jìn)，以使我們可以通過(guò)100英尺長(zhǎng)的6類電纜進(jìn)行10 Gb / S的傳輸。但是，從10 Gb / S提升到56 Gb / S是一個(gè)巨大的飛躍。真正好的收發(fā)器只能處理大約30英寸。”
編輯：hfy