原创 传输线_9

6 非理想互联的问题

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6.1 介质的直流损耗[1][4]

有耗和无耗介质的重要区别有2个：一是均匀的平面波在两种介质中传播的速度不同；二是有耗媒质的固有阻抗具有非零的相角，这样就导致每个行波的电场和磁场在时域中相位相差一个固有的相角。

6.1.1 介电损耗的基本原理

当时变电场加到一种材料上的时候，材料中那些具有极性的分子，其排列往往会变成与施加的场的方向相反。这种情况称为电极化。

介电损耗的标准模型来自实验，其中包含了一个多分子的震荡系统；对施加与该振荡系统的电场，其电场响应包含随频率变化的若干阻尼系统。介电损耗对应的任何频率变化都是由这些阻尼系统引起的[4]。

绝缘材料作为传输线的绝缘介质式，介电损耗会转化为信号损耗。介电损耗越高，信号衰耗越大。Dielectrics are characterized by having bound charge in the form of microscopic dipoles and have no appreciable free charge, unlike conductors[1.1]pp-299

介质等效为一个个小的单极子，当施加电场的时候，这些单极子的排列会与所施加的电场的方向相反，因此，单极子会翻转，如图fig4.48所示。对于高频的电场，单极子无法在交变电场改变方向的时候完成充分的翻转，这种不能充分翻转的能力等效於介质的损耗。For high frequencies of the field,the dipoles are unable to completely reverse direction as the(sinusoidal) electric field changes direction.This inability to completely reverse direction provides what is equivalent to loss[1.1].由于介电损耗的缘故，高频条件下应该选择陶瓷基板的材料，比如氧化铝[3]

6.1.2介电常数随频率的变化

PCB板生产的常用材料是FR4。注意FR4不是环氧树脂，而是由使用玻璃纤维强化后的环氧树脂构成，它是一种复合材料。其介电常数的一阶计算公式为：

6.2 趋肤效应

趋肤效应的概念完全来自对电磁场在导电材料中的传播的分析，随着波在有耗媒质中传播，振幅将减小。振幅衰减37%(指一个趋肤深度的时候)。场穿透金属的程度称为趋肤深度。

高频电流流经导线时，将趋近与导线的外围；大约63%的电流将集中在一个趋肤深度中流过；根据电阻公式，这将导致电阻增大。同时，电感发生变化（减小）。可以这样分析电感的变化。电感由磁通量决定，磁通量由电流引起；当趋肤效应发生时，电流集中在导体表面，导线内部几乎没有电流；内部电感将变得很小，主要是外部电感。在高速设计中，忽略电感的频率特性是一种有效的近似方法。