PCB技術 - 基板伝送路でどのような損失が発生するか

PCB伝送路は、信号用の少なくとも2本のワイヤと、リターンパス用の別の1本のワイヤを含む。複雑な回路基板ネットワークは、より簡単な伝送路構造の組み合わせである。PCB設計の観点から見ると、これらの構造（マイクロストリップ、ストリップワイヤ、コプレーナ）を理解することは設計者と製造者にとって有益である。

送電線の損失はいくらですか。

送電線構造は異なる損失機構を有する。PCB伝送路の総損失を挿入損失（Isla±t）と呼ぶ。これは導体損失（Isla±c）、誘電損失（Island±d）、放射損失（Island±r）と漏洩損失（Islands±l）の総和である。

島t=島c+島d+島r+島l

PCBは非常に高い体積抵抗を持っているので、漏洩の影響は無視できます。放射損失は、無線周波数放射によって回路から失われるエネルギーである。この損失は周波数、誘電率（Dk）及び厚さに依存する。特定の伝送路では、より高い周波数では、損失がはるかに高くなります。同じ回路では、より薄い基板とより高いDk値を使用すると、放射損失が小さくなります。

本論文では、損失正接／散逸因子とともに測定される信号トレース抵抗による導体損失（Isla±c）とPCB誘電体による誘電損失（Island±d）に関連する伝送路損失のみを議論する。

島t=島c+島d

特性インピーダンスと損失機構

以前のPCB伝送路シリーズでは、伝送路の特性インピーダンス（周波数に関係なく信号に見られるインピーダンス）を提供していました。

R＝単位長さ当たりのワイヤ抵抗（pul）

L=線路導体回路のインダクタンスpul

G＝信号経路とリターン経路との間のコンダクタンス（誘電体のため）pul

C＝信号経路とリターン経路との間の容量pul（誘電体のDkとともに増加する）

均一な伝送路では、R、L、G、Cは各点で同じであるため、Zcは伝送路上の各点で同じ値を持っている。

線路に沿って伝播する周波数f（λ＝2、f）の正弦波信号に対して、異なる点と時間の電圧と電流の表現は以下の式によって与えられる：

ここで、Isla±とIsla²はPCB伝送路損失の実部と虚部であり、以下の式により与えられる：

私たちが興味を持っている周波数では、R＜LとG＜C、したがって：

和：PCB伝送路の損失：

これは、PCB伝送路の損失を単位長さ当たりの伝搬遅延で伝搬し、回線伝搬時に減衰することを意味する。

長さlの伝送路の信号減衰係数は、

減衰または信号損失係数は通常dBで表される。

したがって、dB損失は線路長に比例する。したがって、上記の内容を単位長さ当たりのdB損失として表すことができます。

通常はマイナス記号を省略し、dB単位の信号強度から常に減算されるdB損失であることを覚えておきましょう。

上記は伝送路の単位長さ当たりの総挿入損失とも呼ばれ、以下のように書かれている：

現在、損失のR/Z 0成分はR（単位長さ当たりの抵抗）に比例し、Rは導体損失と呼ばれ、伝送路を形成する導体の抵抗に起因する。これは「alfa」Cで表される。GZ 0部分の損失はG−誘電材料のコンダクタンスに比例し、誘電損失と呼ばれ、「Alf」dで表される。

ここで、Rは1インチ当たりの導体の抵抗である。

現在、PCB伝送路には信号トレースとリターンパスという2つの導体があります。

通常、戻り経路は平坦な表面であるが、戻り電流は平坦な表面に均一に分布していない。大部分の電流は信号トレースの3倍の幅で信号トレースの下にあるバンドに集中していることを証明することができる。

PCB伝送路における信号トレース抵抗

信号トレースの全断面積は信号電流に平等に関与していますか？答えは、この場合は常に信号の周波数に依存するわけではありません。

約1 MHzまでの極低周波では、導体全体が信号電流に関与していると仮定することができるので、Rsigは信号トレースの「α」C抵抗と同じ、すなわち：

λ＝銅抵抗率（単位：Ohmインチ）PCB伝送路損失

W=トレース幅、単位はインチ（例：5ミル、または0.005インチトレース50オーム）

T=トレースの厚さ、単位はインチ（通常は189オンス～10オンス、すなわち0.007インチ～0.0014インチ）

例えば、5ミル幅のトレースの場合：

私たちの目的のために、周波数fにおける交流抵抗に興味を持っています。ここで、皮膚効果は画面に入りました。表皮効果により、周波数fの電流は一定の深さだけに拡散し、導体の表皮深さと呼ばれる

以上から、4 MHzでは表皮深さは1 ozの銅厚に等しく、15 MHzでは表皮深さは189 ozの銅厚に等しいことがわかる。15 MHz以上では、信号電流の深さは0.7ミル未満であり、周波数が増加するにつれて減少し続けている。

私たちがここで注目しているのは高周波挙動であるため、私たちは安心してTが興味のある周波数での表皮深さより大きいと仮定することができるので、私たちは信号抵抗公式にTではなく表皮深さを使用します。そこで、私たちは今、

私たちは島ではなく2つの島を使用しています。技術的には、電流は導体のすべての周辺を使用しており、2 Wは2（W＋T）で代用できるからです。

戻り信号は、信号トレースに最も近い表面に沿って厚さIsla´で伝播するだけであり、その抵抗は、

導体−誘電体界面における銅表面粗さは導体損失の増加をもたらす

重要なのは、回路基板において、「銅導体-誘電体界面」は決して滑らかではないこと（滑らかであれば、銅導体は誘電体表面から容易にはがれる）、基板上の導体のはく離強度を高めるために歯状構造に粗面化されています。