無(wú)線通信從4G LTE到LTE-Advance的快速發(fā)展，以及無(wú)線標(biāo)準(zhǔn)的不斷演進(jìn)，使下一代移動(dòng)通信5G被提上議事日程并被討論的越來(lái)越熱烈。隨著物聯(lián)網(wǎng)的興起和移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)內(nèi)容的日漸豐富，“萬(wàn)物互連”的5G及物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代到即將來(lái)到。

插入損耗是無(wú)線通信及射頻電路設(shè)計(jì)中的一個(gè)重要指標(biāo)，幾乎所有的射頻工程師在設(shè)計(jì)之初都會(huì)對(duì)電路或系統(tǒng)的插入損耗進(jìn)行預(yù)估，而后開始設(shè)計(jì)和選型。電路插入損耗影響著電路的性能，在無(wú)線通信的關(guān)鍵部件如功率放大器中，降低插入損耗有利于提高功放效率，以及更好的熱量管理；在天線應(yīng)用中，較低的電路插入損耗能夠降低天線饋線的能量損耗，另一方面可提高輻射單元的效率和天線的信號(hào)覆蓋范圍。本文將從多個(gè)方面討論電路的插入損耗，幫助射頻工程師理解電路總的插入損耗的來(lái)源，更好的進(jìn)行電路材料的選型和電路設(shè)計(jì)。

插入損耗

在射頻和微波電路中，以最常用的傳輸線為例，插入損耗（Insertion Loss）通常定義為輸出端口所接收到的功率Pl與輸入端口的源功率Pi之比，常用dB表示。插入損耗通常是由于電路的失配引起，但電路設(shè)計(jì)使要達(dá)到理想狀態(tài)下的匹配幾乎是不可能的。通常，當(dāng)回波損耗（Return Loss）小于-15dB時(shí)可認(rèn)為電路具有良好的匹配。

圖1、插入損耗的定義

在實(shí)際的電路中有許多方面的因素造成電路產(chǎn)生損耗，如電路設(shè)計(jì)及匹配，使用電路材料的損耗和加工等。對(duì)于微帶傳輸線電路，插入損耗主要包括介質(zhì)損耗、導(dǎo)體損耗、輻射損耗和泄露損耗幾個(gè)部分，是各種損耗成分的總和。輻射損耗通常發(fā)生在嚴(yán)重失配、或特定的電路設(shè)計(jì)如天線，或微帶線寬度與所傳輸?shù)母哳l信號(hào)頻率的波長(zhǎng)相比擬時(shí)，對(duì)通用微帶線來(lái)說(shuō)輻射損耗幾乎很小。泄露損耗通常由于高頻PCB材料具有較大的體電阻而較小，一般可以忽略。

因此，導(dǎo)體損耗和介質(zhì)損耗是傳輸線上信號(hào)衰減的主要方面。導(dǎo)體損耗是包括傳輸線上信號(hào)路徑和返回路徑上的能量損失，是由導(dǎo)體自身的阻抗引起。介質(zhì)損耗則是由于構(gòu)成電路的電路材料的耗散因子所決定，選擇相對(duì)較小的損耗因子的電路材料有利于電路總的插入損耗的減小。

趨膚效應(yīng)

電路的導(dǎo)體損耗會(huì)隨著頻率的升高而增加。在低頻時(shí)，導(dǎo)體上的電流幾乎均勻分布在導(dǎo)體內(nèi)部；但在高頻時(shí)，導(dǎo)體中出現(xiàn)交流或者交變電磁場(chǎng)。此時(shí)導(dǎo)體內(nèi)部的電流分布發(fā)生變化，電流主要集中在導(dǎo)體外表的薄層。越靠近導(dǎo)體表面，電流密度越大，而導(dǎo)體內(nèi)部的電流很小或甚至沒(méi)有電流，如圖2。結(jié)果導(dǎo)致導(dǎo)體的電阻增加，導(dǎo)體損耗也隨之增加。這一現(xiàn)象稱為趨膚效應(yīng)（skin effect）。

圖2、趨膚效應(yīng)及趨膚深度

趨膚效應(yīng)導(dǎo)致電流分布于導(dǎo)體表面的厚度稱為趨膚深度δ（Skin depth），計(jì)算公式如圖2中所示，式中σ是導(dǎo)體的電導(dǎo)率，μ是磁導(dǎo)率，ffreq是所承載信號(hào)的頻率。表1列出來(lái)銅導(dǎo)體在不同頻率下的趨膚深度。

表1、銅導(dǎo)體在不同頻率下的趨膚深度

頻率（GHz）0.010.51510305080

趨膚深度（um）20.872.952.090.930.660.380.300.23

銅箔類型及粗糙度

通常在PCB基材加工過(guò)程中，為使銅箔牢固的粘結(jié)到不同的介質(zhì)材料上，銅箔表面會(huì)進(jìn)行糙化處理以改善其和PCB介電材料的結(jié)合力。大多數(shù)的PCB基材都會(huì)壓合幾種形式的銅箔導(dǎo)體，包括標(biāo)準(zhǔn)電解銅（Electro Deposited copper）、反轉(zhuǎn)銅（Reverse Treated copper）以及壓延銅（Rolled copper）。如圖3所示，簡(jiǎn)單的講，標(biāo)準(zhǔn)ED銅是將硫酸銅溶液里的銅離子電解到慢慢滾動(dòng)的拋光不銹鋼的滾筒上形成的。與拋光不銹鋼滾筒直接接觸面的銅的表面粗糙度較為平滑，但是和溶液直接接觸面銅卻粗糙的多。壓延銅箔是通過(guò)輥軋機(jī)碾壓銅塊而得，連續(xù)的輥軸碾壓可以得到厚度一致性很好且表面光滑的銅箔。RT銅箔也屬于電解銅，只是將銅箔表面較平滑的面與基材壓合形成。

圖3、不同銅箔生產(chǎn)過(guò)程（a. 電解銅；b. 壓延銅）

不同的銅箔具有不一樣的表面粗糙度，對(duì)銅箔表面粗糙度的表征有多種測(cè)量方法和衡量單位。對(duì)于射頻微波應(yīng)用，Rq或者RMS（均方根）值是一種較為合理的粗糙度表征方式。不同銅箔表面表現(xiàn)出完全不同的顆粒與粗糙度特征，圖4a和4b顯示了兩種典型銅箔標(biāo)準(zhǔn)ED銅與壓延銅的與介質(zhì)結(jié)合面的表面特征；4c列出來(lái)幾種常用銅箔的表面粗糙度典型值?？梢钥吹?，標(biāo)準(zhǔn)電解銅箔的表面粗糙度較高，典型RMS值是2.2um；而壓延銅的銅箔表面粗糙度很小，典型RMS值僅0.3um。

圖4、銅箔的表面粗糙度（a. 標(biāo)準(zhǔn)電解銅表面特征，b. 壓延銅表面特征；c. 常用銅箔粗糙度值）

不同銅箔表面粗糙度會(huì)產(chǎn)生不同的寄生電感，導(dǎo)致銅箔表面阻抗的變化，從而產(chǎn)生不同的導(dǎo)體損耗。一般來(lái)說(shuō)，當(dāng)電路工作頻率對(duì)應(yīng)的趨膚深度小于或等于銅箔的表面粗糙度時(shí)，表面粗糙度的影響將變得非常顯著。如圖5，在5mil Rogers RO3003TM的相同電路材料上設(shè)計(jì)微帶線測(cè)試其插入損耗。在頻率《1GHz時(shí)，趨膚深度2.09um，大于標(biāo)準(zhǔn)電解銅粗糙度1.6um和壓延銅0.3um，兩種銅箔的電路的插入損耗差并不明顯；而當(dāng)頻率逐漸升高時(shí)，此時(shí)標(biāo)準(zhǔn)電解銅與壓延銅的插入損耗表現(xiàn)出顯著的差異。因此，選擇低粗糙度的銅箔有利于降低插入損耗，特別是在微波毫米波頻段趨勢(shì)更加明顯。

圖5、基于5mil RO3003TM的同一電路，不同銅箔的插入損耗比較

介質(zhì)厚度

電路材料的介質(zhì)厚度也對(duì)電路的導(dǎo)體損耗產(chǎn)生影響。圖中數(shù)據(jù)曲線是通過(guò)羅杰斯公司基于Hammerstad和Jenson模型開發(fā)的MWI應(yīng)用軟件仿真得到。該軟件可以準(zhǔn)確計(jì)算微帶傳輸線的阻抗和插入損耗值，其仿真結(jié)果與實(shí)測(cè)值十分吻合。該程序可以從羅杰斯主頁(yè)（www.rogerscorp.com）上免費(fèi)下載。

圖6、基于RO4835TM的不同厚度下各損耗隨頻率變化

從圖6中可以明顯的看到，基于6.6mil， 10mil， 30mil不同厚度的Rogers的RO4835TM熱固性材料上的50?微帶線，導(dǎo)體損耗在6.6mil時(shí)最大，30mil最?。粡亩鴮?dǎo)致相同頻率的電路總的插入損耗值也隨著介質(zhì)厚度增加而減小。

這種由于厚度不同引起的導(dǎo)體損耗變化的原因一方面是由于不同厚度下的相同50?微帶線的線寬不同導(dǎo)致。另一方面銅箔粗糙度在不同厚度的相同材料上對(duì)導(dǎo)體損耗的影響也存在差異。

為進(jìn)一步驗(yàn)證銅箔粗糙度對(duì)插入損耗在不同厚度上的影響，選取Rogers RO3003TM電路材料設(shè)計(jì)50?微帶線進(jìn)行研究測(cè)試。如圖7所示，選取5mil和20mil的RO3003TM材料的標(biāo)準(zhǔn)ED銅和壓延銅上分別制作成相同電路?？梢钥吹皆?5GHz時(shí)，基于5mil厚度的標(biāo)準(zhǔn)ED銅和壓延銅電路插入損耗之間的差為0.35dB/inch；而基于20mil厚度的標(biāo)準(zhǔn)ED銅和壓延銅電路插入損耗之間的差異僅為0.1dB/inch。由于在相同材料厚度上的50?微帶線具有相同的導(dǎo)體寬度，由線寬引入的導(dǎo)體損耗是相同的。所以在相同材料上，銅箔粗糙度在薄的介質(zhì)材料上的插損影響比在厚的材料上更大，在這個(gè)例子中增加了0.25dB/inch。

因此，選取更厚的電路材料可以降低相同銅箔粗糙度條件下對(duì)于插入損耗的影響。但越厚材料會(huì)有越寬的線寬，對(duì)于微波及毫米波的電路應(yīng)用，較寬的線寬容易產(chǎn)生不必要的雜散信號(hào)，影響信號(hào)的傳輸。因此需要對(duì)材料厚度及銅箔粗糙度進(jìn)行權(quán)衡。

圖7、基于RO3003TM的不同厚度下銅箔對(duì)插入損耗的影響

表面處理工藝

最終的電路都需要經(jīng)過(guò)電路加工形成。電路的插入損耗也受電路加工中其他附加材料的影響，如電路的不同表面處理工藝。電路的表面處理對(duì)PCB電路加工是非常必要的。它不僅能夠?yàn)樵附犹峁┕饣珊傅谋砻?，同時(shí)也為PCB的銅導(dǎo)體提供了保護(hù)。然而，大部分PCB表面處理材料的導(dǎo)電性都比銅箔的導(dǎo)電性差。導(dǎo)電性越差產(chǎn)生的導(dǎo)體損耗越高，從而電路的插入損耗也越大，特別是對(duì)寬帶、高頻電路更加明顯。

在PCB的表面處理工藝中，常用的幾種表面處理工藝包括阻焊油墨（Solder mask）、有機(jī)保焊膜（OSP）、化學(xué)沉錫、化學(xué)沉銀、化學(xué)鎳金（ENIG）等。阻焊油墨是一種高損耗的材料，其損耗因子為0.02；同時(shí)，阻焊油墨通常具有較高的吸水率，它也將導(dǎo)致電路插入損耗的上升?；瘜W(xué)沉銀是一個(gè)例外，銀是一種良導(dǎo)體，但由于價(jià)格昂貴作為表面處理通常是非常薄的一層，基本不會(huì)引起損耗的增加?；瘜W(xué)鎳金中由于鎳的導(dǎo)電性比銅差，且由于趨膚效應(yīng)，在高頻頻段時(shí)電流將沿著導(dǎo)體的表面?zhèn)鬏?，?dǎo)致電流將完全覆蓋鎳層和薄金層，如圖8a。從而使得ENIG表面處理的電路會(huì)比使用裸銅的電路的插入損耗大很多。圖8b給出了基于5mil RT/duriod?6002材料1/2oz壓延銅的不同表面處理工藝相同微帶線電路的插入損耗實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)比較。

圖8、表面處理工藝對(duì)插損的影響（a. 化學(xué)鎳金剖面圖，b. 多種不同表面工藝的插損比較）

電路結(jié)構(gòu)

射頻電路工程師往往需要選用某種PCB電路技術(shù)，如微帶線、帶狀線或接地共面波導(dǎo)（GCPW）等來(lái)進(jìn)行信號(hào)的傳輸。不同的電路傳輸技術(shù)對(duì)于最終的插入損耗也存在差異。微帶線是最為簡(jiǎn)單的一種傳輸技術(shù)，但在高頻毫米波頻段時(shí)微帶線由于輻射損耗而導(dǎo)致插損顯著增加。帶狀線是用于微波毫米波頻段的PCB傳輸線的一個(gè)極好選擇，但電路加工過(guò)程稍顯復(fù)雜。GCPW傳輸線技術(shù)的是中間導(dǎo)體、兩側(cè)接地面的電路結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)使其比微帶線在毫米波頻段有較小的輻射損耗，電路加工又比帶狀線簡(jiǎn)單。

圖9顯示了基于20mil Rogers RO4835TM材料的微帶線與GCPW緊耦合電路均為裸銅時(shí)的插入損耗仿真結(jié)果。當(dāng)頻率較低時(shí)，微帶線與GCPW輻射損耗都很小，而GCPW緊耦合電路由于導(dǎo)體線寬更窄導(dǎo)致更高的導(dǎo)體損耗，因此微帶線相比GCPW有更低的插入損耗值；當(dāng)頻率較高時(shí)，微帶線的輻射損耗顯著增加，而GCPW的輻射損耗仍然很低，此時(shí)GCPW總的插入損耗就更低。

圖9、微帶線與緊耦合GCPW傳輸線插損仿真比較

對(duì)于選定的電路材料，銅厚不同也會(huì)導(dǎo)致GCPW傳輸線的插入損耗存在差異，這是因?yàn)镚CPW結(jié)構(gòu)中電磁場(chǎng)分布的原因。在GCPW電路結(jié)構(gòu)中，電場(chǎng)既從頂層中心導(dǎo)體指向底層地面，也會(huì)從中心導(dǎo)體側(cè)壁指向頂層的接地面來(lái)形成回流路徑。當(dāng)選用的銅箔更厚時(shí)，指向側(cè)壁的電場(chǎng)路徑將經(jīng)由更多空氣到達(dá)兩側(cè)接地面。相比于介質(zhì)，空氣損耗很低，因此此時(shí)相同電路下厚銅GCPW電路的總的損耗相對(duì)薄銅更小。同樣，GCPW的接地間距s的大小也影響電路的插入損耗值。盡管接地間距小時(shí)利用空氣更多，但此時(shí)導(dǎo)體寬度會(huì)變窄，導(dǎo)致導(dǎo)體損耗增加，結(jié)果相同電路下的總的損耗會(huì)增加。圖10顯示了基于10mil RO4835TM相同銅箔、不同銅厚和接地間距下的GCPW傳輸線的電路結(jié)構(gòu)剖面圖，并比較了它們的插入損耗情況。

圖10、GCPW接地間距和材料銅厚的插入損耗比較

當(dāng)在GCPW電路導(dǎo)體表面應(yīng)用表面處理工藝時(shí)，其插入損耗的變化與微帶線有所不同。以ENIG表面處理為例，如上節(jié)所述，微帶線的插入損耗會(huì)由于ENIG表面處理而增加?；?mil RO4003C標(biāo)準(zhǔn)ED銅材料上設(shè)計(jì)的50?微帶線，其應(yīng)用ENIG的電路在50GHz的插入損耗比裸銅是高約0.7dB；而基于同樣電路材料設(shè)計(jì)的50? GCPW電路，其ENIG的電路在50GHz是插入損耗比裸銅高達(dá)1.1dB，如圖11所示。應(yīng)用ENIG的GCPW電路具有更高的插損不僅是由于如微帶線一樣，導(dǎo)體表面的鎳層導(dǎo)致導(dǎo)體損耗的增加；同時(shí)電場(chǎng)回流路徑由中心導(dǎo)體至頂層接地面時(shí)會(huì)再經(jīng)由接地面表面的鎳層，進(jìn)一步導(dǎo)致了插損的增加。

圖11、微帶線與GCPW，裸銅與表面處理ENIG的插入損耗

結(jié)論

因此，電路的插入損耗受到多方面因素的影響。選擇更低介質(zhì)損耗和低銅箔表面粗糙度的電路材料有利于降低電路總的插入損耗。選擇較厚的電路材料有利于減小相同銅箔表面粗糙度條件下對(duì)插入損耗帶來(lái)的影響；但如果電路應(yīng)用于毫米波頻段時(shí)，就需要權(quán)衡介質(zhì)厚度導(dǎo)致線寬更寬引起的雜散和輻射損耗的影響。同時(shí)，在電路設(shè)計(jì)和加工時(shí)，不同的電路結(jié)構(gòu)以及使用不同的電路表面處理方式都將對(duì)電路總的插入損耗產(chǎn)生影響。全面考慮電路總的插入損耗的影響因素，選擇合適電路材料、設(shè)計(jì)和加工可將電路的插入損耗降至最小，實(shí)現(xiàn)最優(yōu)的電路設(shè)計(jì)。