當(dāng)信號通過 PCB 導(dǎo)體從信號源向負載傳輸時，由于走線電阻和介電損耗，信號會發(fā)生衰減，從而導(dǎo)致能量損失。

當(dāng)高速信號在電路板上傳播時，信號衰減是最普遍的術(shù)語。它是導(dǎo)致信號完整性問題的信號衰減的主要因素之一。

什么是信號衰減?

信號衰減隨著頻率的增加而增加。

信號衰減是信號通過傳輸介質(zhì)傳播時信號強度(幅度和強度)降低的量度。它是電信應(yīng)用中的一個重要屬性，因為它計算信號強度作為距離的函數(shù)。

當(dāng)發(fā)送器提供的信息在接收器解碼時保持不變時，可以實現(xiàn)無損信號傳輸。應(yīng)滿足足夠的閾值水平以從信號中提取正確的信息。

信號衰減如何計算?

信號衰減以每單位傳輸介質(zhì)長度的分貝 (dB) 為單位進行估算。它可以根據(jù)功率 (A p ) 和電壓 (A v ) 來計算。

為了避免衰減的機會，發(fā)射器發(fā)送多個信號以確保至少一個信號到達最終目的地，即接收器。但是由于需要發(fā)送這些額外的信號，這種做法會降低整體網(wǎng)絡(luò)速度。

這里的：

P s:是源端的信號功率

P d:是負載處的信號功率

V s:是源端的信號電壓

V d:是負載上的信號電壓

衰減越低，傳輸介質(zhì)的效率就越高。更高的衰減意味著在接收器側(cè)有更多的信號損失和降低的幅度。

衰減因子或衰減系數(shù)

衰減因子決定了信號可以傳播的距離，并且仍然提供足夠的數(shù)據(jù)位或信息。它根據(jù)傳輸信號的幅度如何隨頻率降低來量化不同的傳輸介質(zhì)。它由以下給出：

AF = P輸出/P輸入

信號衰減系數(shù)取決于：

傳輸介質(zhì)長度

傳輸介質(zhì)材料

身體狀況

傳輸線中的信號衰減

在傳輸線中，衰減損耗是兩種損耗的合并：導(dǎo)體損耗和介電損耗。導(dǎo)體損耗是由于存在不完美的導(dǎo)電性和跡線電阻，而介電損耗是由于介電材料而存在。

長度為“l(fā)”的傳輸線的信號衰減因子由下式給出：

以 dBs 為單位，信號衰減表示為：

它也可以表示為每單位長度的dB損耗，即：

注意：忽略減號，記住這是一個 dB 損失。

上式表示傳輸線單位長度的總插入損耗，寫為：

R/Z0是與單位長度走線電阻 R 成正比的損耗分量，稱為導(dǎo)體損耗。用α C表示。分量 GZ 0與 G(介電材料的電導(dǎo))成比例，稱為介電損耗。它由α d表示。

另外，請閱讀我們關(guān)于PCB 傳輸線損耗的文章。

與導(dǎo)體損耗相比，介電損耗可以忽略不計。高達 20GHz 時，與PCB 材料(即 FR4)相關(guān)的損耗角正切不會發(fā)生明顯變化。這是介電損耗曲線與頻率幾乎成一條直線的主要原因。PCB中發(fā)射器和接收器之間的距離通常小于1m。因此，可以假設(shè)介電損耗在頻率上是恒定的。作為傳導(dǎo)損耗和介電損耗的總和，總損耗主要是傳導(dǎo)損耗。

電路板設(shè)計中使用的FR4 材料的損耗角正切約為 0.003。

為什么信號到達走線端時會衰減?

信號的幅度隨著它沿傳輸介質(zhì)傳播而減小。

信號的幅度會因走線電阻和電路板電介質(zhì)的耗散因數(shù)而失真。由于信號傾向于沿跡線表面?zhèn)鞑ィ虼嗽撔?yīng)在高頻時更為突出。衰減會導(dǎo)致信號上升時間變慢并增加數(shù)據(jù)錯誤的可能性。

高頻傳輸通道使接收器難以解釋實際信息。由于傳輸介質(zhì)的影響，會發(fā)生以下傳輸損耗：

介電吸收：當(dāng)高頻信號在電路板表面?zhèn)鞑r，介電材料會吸收信號能量。它降低了只能通過選擇完美的PCB材料來控制的信號強度。選擇具有低損耗正切的材料以減少介電吸收。

趨膚效應(yīng)：趨膚效應(yīng)是一種現(xiàn)象，由于高頻分量開始傳播到更靠近電路板導(dǎo)體的外部而不是內(nèi)部。高頻信號還負責(zé)生成具有不同電流值的波形。此類信號具有其自感值，隨著頻率的增加，它會引發(fā)增加的感抗。它負責(zé)減少 PCB 表面的導(dǎo)電面積，導(dǎo)致信號幅度更大的電阻和衰減。可以通過增加走線寬度(表面積)來減少趨膚效應(yīng)，但這并不總是可行的，因為改變走線幾何形狀可能會導(dǎo)致阻抗問題。

由于高頻元件，PCB 中的集膚效應(yīng)。

是什么導(dǎo)致PCB中的信號衰減?

隨著信號范圍的增加，衰減也會增加。下面列出的因素是造成信號衰減的原因：

噪聲源：射頻頻率、泄漏電流和電流干擾信號導(dǎo)致衰減。更多噪音，更多衰減!

發(fā)射器和接收器之間的距離：當(dāng)信號穿過更長的距離時，其強度會降低。兩點之間的距離越大，衰減越高。

走線寬度：信號通過更寬的走線時衰減較小。

串?dāng)_：附近走線中的串?dāng)_也是造成信號衰減的原因。

導(dǎo)體和連接器：當(dāng)信號通過不同的導(dǎo)電材料和連接器表面時，它會受到衰減。

傳輸頻率：波長越短的無線電波衰減越大。此類信號通過 2.4GHz 或 5GHz 電磁波傳輸。電磁波具有高頻率和短波長。因此，無線電信號衰減大，不能長距離傳輸。

與導(dǎo)體材料相關(guān)的電阻損耗：用于制造傳輸線的導(dǎo)電材料(如銅)會引入電阻損耗，導(dǎo)致在銅跡線上傳播的信號衰減。

與介電材料相關(guān)的損耗：夾在傳輸線之間的介電材料中的損耗會引入介電損耗。這種介電損耗在襯底上形成電導(dǎo)，也稱為反向電阻，并吸收部分傳播的信號能量，導(dǎo)致信號衰減。

銅表面粗糙度：PCB 上的銅表面粗糙度也可作為信號傳播的阻力。粗糙的銅跡線會增加電阻，因為銅表面的形貌會使信號上下移動。表面尖峰也會增加電容。光滑的銅是解決這個問題的方法，但成本更高。

信號根據(jù)表面輪廓跟隨每個波峰和波谷，增加了路徑長度和電阻，從而導(dǎo)致衰減。

接地回路電阻：隨著頻率的增加，接地回路變窄，使用較少的銅面積，導(dǎo)致電阻增加。

另請閱讀，如何減少 PCB 布局中的寄生電容?

如何減少信號衰減?

采用以下技術(shù)可以減輕信號衰減：

使用中繼器：如果接收信號較弱，則使用中繼器通過減少衰減來重新生成原始信號。它還增強了信號的范圍，使其可以傳輸更長的距離而不會失敗。

使用放大器： 如果接收到的信號很弱，則使用放大器來增加其幅度，這與重新生成整個信號的中繼器不同。

正確的材料選擇：仔細選擇低損耗介電材料和低電阻走線可以最大限度地減少信號衰減。

使用可編程差分輸出電壓 (VOD) 設(shè)置：可編程 VOD 確保驅(qū)動強度與線路阻抗和走線長度同步。增加驅(qū)動器處的 VOD 可增強接收器處的信號。

預(yù)加重：使用放大器提高信號強度并不是衰減控制的唯一解決方案，因為它還會放大相關(guān)的信號噪聲和抖動。預(yù)加重僅通過增加第一個傳輸符號的電平來增強信號的高頻分量。如果后續(xù)符號級別以相同級別傳輸，則它們將保持不變。例如，如果一個信號傳輸三個符號的高電平，則只有第一個符號被加強。接下來的兩個符號將以通常的電平傳輸。

預(yù)加重兩個單位間隔。

6. 接收器均衡：當(dāng)信號到達接收器時，均衡電路會衰減信號的低頻分量以恢復(fù)傳輸線損耗。

使用 VNA 進行信號衰減測量

矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀 (VNA) 用于執(zhí)行頻域分析，因此也進行衰減分析。它具有高動態(tài)范圍，對于識別信號完整性問題的實際原因非常有用。換句話說，它是一種出色的測試和測量工具，可用于了解導(dǎo)致高數(shù)據(jù)速率系統(tǒng)中眼圖閉合的原因。

Anritsu ME7838G 系列矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀。

VNA 具有較寬的頻率帶寬，可實現(xiàn)寬至 70kHz 至 145GHz 的通道表征。這種寬帶寬可以通過包含多個諧波并提供低端頻率來更好地進行直流外推，從而構(gòu)建準確的模型。它還在時域中提供準確的分辨率，用于定位通道中的缺陷。VNA 設(shè)備有助于了解物理結(jié)構(gòu)及其缺陷。

例如，對于印刷電路板，VNA 適用于分析現(xiàn)實世界的通道缺陷，例如超過 PCB 圖、電鍍和電介質(zhì)厚度變化的公差。它們可用于評估連接器的性能、結(jié)構(gòu)以及它們的安裝情況。它們還可用于分析多層 PCB 疊層并發(fā)現(xiàn)不完美的過孔或接地層問題。

此外，大多數(shù)信號完整性通道在表征期間使用測試夾具。VNA 具有評估這些固定裝置影響的出色能力。網(wǎng)絡(luò)提取會生成一個模型，用于減少這些固定裝置的影響。去嵌入是應(yīng)用模型來補貼夾具對計算結(jié)果的影響的過程。

信號衰減是跡線/導(dǎo)體電阻和相關(guān)介電損耗的結(jié)果，隨著距離的延長和頻率的提高，這些損耗會增加。可以通過改善 PCB 基板材料的介電性能和增加導(dǎo)體尺寸來減少它。衰減控制可以幫助設(shè)計人員實現(xiàn)可以在高頻下無縫工作的 PCB。電路板走線的損耗可能會對傳播的高速數(shù)字信號產(chǎn)生很小或很大的影響。