插损太大？您是否做对了这些！

---- 从插入损耗角度讨论材料选型及电路设计

无线通信从4G LTE到LTE-Advance的快速发展，以及无线标准的不断演进，使下一代移动通信5G被提上议事日程并被讨论的越来越热烈。随着物联网的兴起和移动互联网内容的日渐丰富，"万物互连"的5G及物联网时代到即将来到。

插入损耗是无线通信及射频电路设计中的一个重要指标，几乎所有的射频工程师在设计之初都会对电路或系统的插入损耗进行预估，而后开始设计和选型。电路插入损耗影响着电路的性能，在无线通信的关键部件如功率放大器中，降低插入损耗有利于提高功放效率，以及更好的热量管理；在天线应用中，较低的电路插入损耗能够降低天线馈线的能量损耗，另一方面可提高辐射单元的效率和天线的信号覆盖范围。本文将从多个方面讨论电路的插入损耗，帮助射频工程师理解电路总的插入损耗的来源，更好的进行电路材料的选型和电路设计。

插入损耗

在射频和微波电路中，以最常用的传输线为例，插入损耗（Insertion Loss）通常定义为输出端口所接收到的功率P_l与输入端口的源功率P_i之比，常用dB表示。插入损耗通常是由于电路的失配引起，但电路设计使要达到理想状态下的匹配几乎是不可能的。通常，当回波损耗（Return Loss）小于-15dB时可认为电路具有良好的匹配。

图1、插入损耗的定义

在实际的电路中有许多方面的因素造成电路产生损耗，如电路设计及匹配，使用电路材料的损耗和加工等。对于微带传输线电路，插入损耗主要包括介质损耗、导体损耗、辐射损耗和泄露损耗几个部分，是各种损耗成分的总和。辐射损耗通常发生在严重失配、或特定的电路设计如天线，或微带线宽度与所传输的高频信号频率的波长相比拟时，对通用微带线来说辐射损耗几乎很小。泄露损耗通常由于高频PCB材料具有较大的体电阻而较小，一般可以忽略。

因此，导体损耗和介质损耗是传输线上信号衰减的主要方面。导体损耗是包括传输线上信号路径和返回路径上的能量损失，是由导体自身的阻抗引起。介质损耗则是由于构成电路的电路材料的耗散因子所决定，选择相对较小的损耗因子的电路材料有利于电路总的插入损耗的减小。

趋肤效应

电路的导体损耗会随着频率的升高而增加。在低频时，导体上的电流几乎均匀分布在导体内部；但在高频时，导体中出现交流或者交变电磁场。此时导体内部的电流分布发生变化，电流主要集中在导体外表的薄层。越靠近导体表面，电流密度越大，而导体内部的电流很小或甚至没有电流，如图2。结果导致导体的电阻增加，导体损耗也随之增加。这一现象称为趋肤效应(skin effect)。

图2、趋肤效应及趋肤深度

趋肤效应导致电流分布于导体表面的厚度称为趋肤深度δ（Skin depth）,计算公式如图2中所示，式中σ是导体的电导率，μ是磁导率，f_freq是所承载信号的频率。表1列出来铜导体在不同频率下的趋肤深度。

表1、铜导体在不同频率下的趋肤深度

铜箔类型及粗糙度

通常在PCB基材加工过程中，为使铜箔牢固的粘结到不同的介质材料上，铜箔表面会进行糙化处理以改善其和PCB介电材料的结合力。大多数的PCB基材都会压合几种形式的铜箔导体，包括标准电解铜（Electro Deposited copper）、反转铜（Reverse Treated copper）以及压延铜（Rolled copper）。如图3所示，简单的讲，标准ED铜是将硫酸铜溶液里的铜离子电解到慢慢滚动的抛光不锈钢的滚筒上形成的。与抛光不锈钢滚筒直接接触面的铜的表面粗糙度较为平滑，但是和溶液直接接触面铜却粗糙的多。压延铜箔是通过辊轧机碾压铜块而得，连续的辊轴碾压可以得到厚度一致性很好且表面光滑的铜箔。RT铜箔也属于电解铜，只是将铜箔表面较平滑的面与基材压合形成。

图3、不同铜箔生产过程（a. 电解铜；b. 压延铜）

不同的铜箔具有不一样的表面粗糙度，对铜箔表面粗糙度的表征有多种测量方法和衡量单位。对于射频微波应用，Rq或者RMS（均方根）值是一种较为合理的粗糙度表征方式。不同铜箔表面表现出完全不同的颗粒与粗糙度特征，图4a和4b显示了两种典型铜箔标准ED铜与压延铜的与介质结合面的表面特征；4c列出来几种常用铜箔的表面粗糙度典型值。可以看到，标准电解铜箔的表面粗糙度较高，典型RMS值是2.2um；而压延铜的铜箔表面粗糙度很小，典型RMS值仅0.3um。

图4、铜箔的表面粗糙度（a. 标准电解铜表面特征，b. 压延铜表面特征；c. 常用铜箔粗糙度值）

不同铜箔表面粗糙度会产生不同的寄生电感，导致铜箔表面阻抗的变化，从而产生不同的导体