之前的文章都在講理想傳輸線對單一信號的影響。 本主題（有損傳輸線）收集關于非理想傳輸線對信號的影響。 把非理想傳輸線稱為有損線。

現實中的傳輸線會帶來損耗，由此會引起信號上升邊的退化，進而帶來碼間干擾（ISI）和眼圖塌陷。 在實際傳輸線中傳播的信號，它的上升沿變長是由于信號的高頻分量衰減要比低頻分量大的多。 在頻域中分析和頻率相關的損耗比較簡單，不過最終的信號還是會在時域中呈現出來。

1 有損線的損耗帶來的碼間干擾

當信號沿著實際有損傳輸線傳播時，高頻分量的幅度減小，而低頻分量的幅度保持不變。 由于這種選擇性衰減，整個系統的帶寬降低。

情況一：和信號位周期相比，信號上升沿的退化很小，在一個數據位周期結束時，信號就已經穩定。 此數據位的電壓波形和它之前一位的數據（無論之前的這個數據位是高電平、還是低電平、無論持續時間多久）相互獨立，那么它們之間不存在碼間干擾。 如圖1

情況二：信號上升沿的退化，導致接收端的信號上升沿顯著增加，例如傳輸的一段數據是101。 即第一位數據是高電頻，中間一位數據是低電平，第三位數據又是高電平。 因為接收端信號上升沿顯著增加，導致中間那位的低電平沒來得及降低到最低電壓值。 這種情況下，中間一位數據的實際電平就由它自身的電平和相鄰位的電平共同決定。 這也稱為碼間干擾。 這增加了接收端分辨高低電平的難度，導致數據傳輸錯誤率增大。 如圖2

描述高速信號質量的手段之一是看信號的眼圖。 把數據流中的每一位接收數據都疊加起來，這組疊加的波形看起來就是睜開的眼睛，稱為眼圖。 通過眼圖的睜開和閉合，可以評估信號質量。

眼睛睜開的越小，數據位傳輸錯誤率越高。

睜開的眼圖中，交叉重疊區域的水平寬度可以評估抖動。

眼圖的振鈴可以評估傳輸線阻抗的匹配程度。

下圖是一張有少許損耗的眼圖。

下圖是一張損耗很大的眼圖。

2 有損線的損耗是誰造成的？

在之前的文章《信號完整性之傳輸線四》中提到傳輸線的一階LC模型，它是一種無損耗模型。 只考慮了傳輸線的特性阻抗和時延，并沒有考慮傳輸線損耗帶來的信號電壓衰減。 現實中，當信號沿著傳輸線傳播時，有5種因素導致信號在接收端出現能量損失。

因素一：輻射損耗

輻射損耗就是我們在EMI中常見的電磁輻射。 它在信號完整性中的總輻射損耗很小，不太影響信號完整性質量。 不過對EMI來說，是個比較麻煩的事情。

因素二：串擾

串擾就是一條傳輸線（攻擊線）上的信號耦合到另一條傳輸線（被攻擊線）上。 串擾帶來的損耗比較重要，可以引起信號上升沿的退化。

因素三：阻抗突變

阻抗突變對傳輸線上信號的失真影響非常大，它直接引起接收信號的上升沿退化。 即使是無損耗傳輸線也會導致信號的上升沿退化，有損耗線就更明顯了。

因素四：導線損耗

它是信號路徑和返回路徑上的能量損耗，由傳輸線上串聯等效電阻引起。

因素五：介質損耗

它是指介質中的能量損耗，由介質中的耗散因子引起。

導線損耗和介質損耗是實際傳輸線上信號衰減的根本原因。 在FR4材質、50R阻抗控制的傳輸線上，當信號頻率高于1GHz時，介質損耗比導線損耗大很多。

接下來的章節，針對導線損耗和介質損耗做介紹。

3 損耗來源---導線損耗：導線電阻和趨膚效應

（一）：直流時的導線電阻

在信號路徑和返回路徑中，信號所感受到的串聯電阻與導線的體電阻率和電流流過的橫截面積有關。 直流電流流過時，電流在信號導線中均勻分布，電阻為：

R是傳輸線電阻，單位Ω。

p是導線體電阻率，單位Ω·in

L是導線長度，單位in

w是導線寬度，單位in

d是導線厚度，單位in

如果返回路徑是一個平面，則直流電流在整個橫截面積上鋪開，返回路徑的電阻比信號路徑電阻小很多，可以忽略不計。

（二）：交流時的導線電阻

基于上面的公式，首先看看體電導率，在100GHz之前，銅和其他金屬的體電導率完全是個常數。 在目前的智能駕艙和ADAS設計中，可以不考慮體電導率對導線電阻的影響。

接下來就要看看銅導線中電流傳輸的路徑了，即傳輸線的電阻怎么被傳輸電流的橫截面積影響。 以前的文章《信號完整性之趨膚效應》中提到，隨著信號頻率上升，由于趨膚效應的影響，電流會在銅導線表面傳播。

例如PCB上的銅走線厚底為34um（即1OZ）時，當信號頻率大于10MHZ，電流就不會在整個銅導線上均勻分布，而是僅在靠近銅導線表面傳輸。 如下圖是10MHz信號分別在50R阻抗控制的微帶線和帶狀線中的電流分布圖，顏色越淺的地方代表電流密度越大。

另一角度，任何頻率的高速信號，它都是一系列正弦波的集合。 這些正弦波分量都有各自相關的頻率、幅度和相位。 把這一系列正弦波疊加起來，就可以復原出原始的高速信號。

或者說要想從某高速信號的頻譜圖中得到它的時域波形，只需要將頻域中所有頻率的信號轉換成時域中正弦波的集合，并且將這些正弦波全部疊加即可。 圖3是包含10諧波的方波，圖4是包含100次諧波的方波。 可以看出包含的諧波分量越多，方波上升沿和下降沿越陡峭，方波越完整。

因此某高速信號頻率分量中，頻率越高，電流流過的導線橫截面積就越小，電阻隨著頻率分量的升高而增加。 總之由于趨膚效應，針對大于10MHZ的信號，傳輸線中的導線串聯電阻隨著頻率的升高而增加。

基于趨膚效應，導線中的信號路徑電阻R1大約為：

R是導線電阻（單位Ω）

p是導線體電阻率（單位 Ω·in）

L是導線長度（單位in）

w是導線寬度（單位in）

σ是趨膚深度（單位in），趨膚深度計算公式可以參考之前的文章《信號完整性之趨膚效應》。

公式中之所以乘以0.5，是因為在一根導線的兩側都有電流流過，這兩側電阻相當于并聯，阻值減小一半。 如下圖所示。

另外本公式只是計算了信號路徑上的導線電阻。 還需要考慮返回路徑上的導線電阻。 如下圖，反饋路徑中電流流過面積要比信號路徑大，因此返回路徑上的導線電阻要比信號路徑上的導線電阻低。 經驗值是，微帶線返回路徑寬度大約是信號路徑的三倍。

即反饋路徑電阻R2

結合起來，整個信號和返回路徑上總的電阻為

想得到精確的導線電阻值，還是要使用二維場求解器仿真。