传输线长度长了一点行不行呢？

本文内容转载自《信号完整性》《普科电路网站》

编者注：对于PCBlayout工程师而言，绝大数的时候都局限于长度限制，等长，包地，过孔数量等等，其实，很多时候这些都不是一成不变的，换个角度，会有不一样的结果。

有一位微信好友问：他们的PCB板上的布线长度超标了200mil，在他们的产品上有没有风险？

其实这个问题的根源在于很多工程师并没有特别理解“传输线长度标准范围”的这一概念。

显然，平台A最长只能12inch，而平台B的可以达到17inch。所以如果工程师把B平台的规则放到A平台上，这就会导致长度超标，最终有可能导致产品设计失败。而如果把A平台的规则放置到B平台上进行设置，虽然功能可能可以调试出来，但是如果非得要设计到17inch的长度，就会导致成本增加。

回到开始的那个问题，之所以会那样回答，就是因为在什么都不清楚的情况下，只能像算八字一样掰着手指算一算就猜。

那规范中这些长度是如何给出来的呢？为什么每一个芯片平台又不一样呢？这其实就与每一颗芯片的驱动能力有关。所以我们在一些总线规范中会看到有对总线的损耗有一个要求，如下图所示：

规范中定义了这个损耗，在设计的时候产品的时候，就按照这规范以及实际电路的设计来确定PCB设计的长度等，这里要补充说明下，损耗不仅仅与长度有关系。这时就通过仿真能快速地获得这个设计的长度要求，从而得出设计的规则。

下面以HCB的要求为例，通过仿真来简单介绍下。在仿真工具（ADS）中建立一个仿真模型，如下图所示，传输线的总长度为1120mil，PCB材料的介质损耗角为0.02：

仿真得到的结果如下图所示，红色的曲线为规范要求，蓝色的曲线为传输仿真获得的结果。

显然，这时传输线的总长度为1120mil是符合要求的。那当长度变为1750mil时，我们看看结果会变成什么样呢？

仿真得到的结果如下图所示，红色的曲线为规范要求，蓝色的曲线为传输仿真获得的结果。

从上面这个结果可以看到，这个长度的损耗远远超过了规范要求的数值。这样设计出来的产品肯定是不符合设计要求的。所以到这里，可能很多工程师就会说这个长度太长了，显然不能满足设计要求。结果真是这样的吗？如果把PCB材料的介质损耗角变为0.01时，长度还是为1750mil，如下图所示：

仿真得到的结果如下图所示，红色的曲线为规范要求，蓝色的曲线为传输仿真获得的结果。

从以上结果我们可以看到显然，即使长度变长了，只要改变PCB材料参数，结果同样也是符合规范要求的。

介质损耗角是指电磁波在通过某种介质时由于介质特性引起的信号衰减的角度。当电磁波通过介质时，由于介质内部存在分子、电子等微观结构，电磁场会对这些微观结构产生作用，导致一部分能量被吸收、耗散或散射，从而引起信号衰减。这个过程可以用介质损耗角来描述，它是一个介质本身固有的物理属性，通常与介质的特定频率相关。

介质损耗：绝缘材料在电场作用下，由于介质电导和介质极化的滞后效应，在其内部引起的能量损耗。也叫介质损失，简称介损。在交变电场作用下，电介质内流过的电流相量和电压相量之间的夹角（功率因数角Φ）的余角δ称为介质损耗角。

电介质在外电场作用下，其内部会有发热现象，这说明有部分电能已转化为热能耗散掉，电介质在电场作用下，在单位时间内因发热而消耗的能量称为电介质的损耗功率，或简称介质损耗（diclectricloss）。介质损耗是应用于交流电场中电介质的重要品质指标之一。介质损耗不但消耗了电能，而且使元件发热影响其正常工作。如果介电损耗较大，甚至会引起介质的过热而绝缘破坏，所以从这种意义上讲，介质损耗越小越好。

各种不同形式的损耗是综合起作用的。由于介质损耗的原因是多方面的，所以介质损耗的形式也是多种多样的。介电损耗主要有以下5种形式：

1.漏导损耗

漏导损耗又称电导损耗。实际使用中的绝缘材料都不是完善的理想的电介质，在外电场的作用下，总有一些带电粒子会发生移动而引起微弱的电流，这种微小电流称为漏导电流，漏导电流流经介质时使介质发热而损耗了电能。这种因电导而引起的介质损耗称为“漏导损耗”。由于实际的电介质总存在一些缺陷，或多或少存在一些带电粒子或空位，因此介质不论在直流电场或交变电场作用下都会发生漏导损耗。

2.极化损耗

在介质发生缓慢极化时（松弛极化、空间电荷极化等），带电粒子在电场力的影响下因克服热运动而引起的能量损耗。

一些介质在电场极化时也会产生损耗，这种损耗一般称极化损耗。位移极化从建立极化到其稳定所需时间很短（约为10-16～10-12s），这在无线电频率（5×1012Hz以下）范围均可认为是极短的，因此基本上不消耗能量。其他缓慢极化（例如松弛极化、空间电荷极化等）在外电场作用下，需经过较长时间（10-10s或更长）才达到稳定状态，因此会引起能量的损耗。

若外加频率较低，介质中所有的极化都能完全跟上外电场变化，则不产生极化损耗。若外加频率较高时，介质中的极化跟不上外电场变化，于是产生极化损耗。

3.电离损耗

电离损耗（又称游离损耗）是由气体引起的，含有气孔的固体介质在外加电场强度超过气孔气体电离所需要的电场强度时，由于气体的电离吸收能量而造成损耗，这种损耗称为电离损耗。

4.结构损耗

在高频电场和低温下，有一类与介质内邻结构的紧密度密切相关的介质损耗称为结构损耗。这类损耗与温度关系不大，耗功随频率升高而增大。

5.宏观结构不均匀性的介质损耗

PCB介质材料大多数是不均匀介质。例如陶瓷材料就是如此，它通常包含有晶相、玻璃相和气相，各相在介质中是统计分布口。由于各相的介电性不同，有可能在两相间积聚了较多的自由电荷使介质的电场分布不均匀，造成局部有较高的电场强度而引起了较高的损耗。但作为电介质整体来看，整个电介质的介质损耗必然介于损耗最大的一相和损耗最小的一相之间。

电介质在恒定电场作用下，介质损耗的功率为

W=U2/R=（Ed）2S/ρd=σE2Sd

定义单位体积的介质损耗为介质损耗率为

ω=σE2

在交变电场作用下，电位移D与电场强度E均变为复数矢量，此时介电常数也变成复数，其虚部就表示了电介质中能量损耗的大小。

如图《D，E，J之间的相位关系图》所示，从电路观点来看，电介质中的电流密度为

D，E，J之间的相位关系图

J=dD/dt=d（εE）/dt=Jτ+iJe

式中Jτ与E同相位。称为有功电流密度，导致能量损耗；Je，相比较E超前90°，称为无功电流密度。

式中，δ称为损耗角，tanδ称为损耗角正切值。

损耗角正切表示为获得给定的存储电荷要消耗的能量的大小，是电介质作为绝缘材料使用时的重要评价参数。为了减少介质损耗，希望材料具有较小的介电常数和更小的损耗角正切。损耗因素的倒数Q=（tanδ）-1在高频绝缘应用条件下称为电介质的品质因素，希望它的值要高。

FR4的损耗

复杂FR4中的介质损耗主要包括三个部分：电导耗、松弛损耗和结构损耗。哪一种损耗占优势，取决于外界因素温度和电场频率。高频和高温下，电导损耗占优势：

在高频下，主要的是由弱联系离子在有限范围内移动造成的松弛损耗：在高频和低温下，主要是结构损耗，其损耗机理还不清楚，可能与结构的紧密程度有关。

一般来说，简单FR4的损耗是很小的，这是因为简单玻璃中的“分子”接近规则的排列，结构紧密，没有弱联系的松弛离子

材料型号TG值频率介电常数

质损耗因数

CTITd类型S11411401GHz4.40.013PLC3310高性能FR4S1000-21801MHz4.80.013PLC3340高性能FR4S1150G
1551GHz4.5
0.011---355
中TG无卤素FR4S1170G
1751GHz4.4
0.010
---
390
高TG无卤素FR4S7038
19010GHz3.620.0085
---345高频高TG低损耗材料S7040G
175
10GHz3.72
0.0089
---405
无卤素高频材料LNB33280
10GHz3.30.0025
---400
碳氢化合物陶瓷高频材料S7136H28010GHz3.420.003---390
碳氢化合物陶瓷高频材料Synamic8G200
10GHz3.660.0015
---430无卤素耐热材料ST115D150
1GHz
5.40.0152
PLC0355高CTI材料SAR20H160
1GHz5.8
0.021
PLC0395高CTI高导热铜基材料370HR180
10GHz3.92
0.0250
---
340高性能FR4FR408HR19010GHz3.65
0.0095
---360
高性能FR4G200
180
10GHz3.700.013
---325
高性能FR4Tachyon-100G200
100GHz3.02
0.0021
---360
高速数字材料

综上所述，在不同的条件下，不管传输线的长度是1120mil还是1750mil，它们都有可能满足规范或者设计系统的要求。所以我们不能单一地以某一长度来作为设计的准则，而是要根据实际设计的情况来确定。通过对实际情况的了解，通过建模仿真，就可以打破一些设计规则的约束，从而获得符合自己特定场景的应用。

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