如何降低差分传输线的衰减-云帆兴烨

降低介质损耗

每单位长度电导与特性阻抗之间存在重要的联系，影响每单位长度电导的相同几何特征，也会影响特性阻抗，这意味着两个项的乘积会抵消几何特征的影响。

介质损耗项可以简化为：

这就是说，唯一会因介质损耗而影响SDD21的是耗散因子Df和介电常数Dk。传输线的物理设计（例如介质厚度、线宽甚至特征阻抗）不会影响介质损耗导致的插入损耗。

介质损耗的频率相关性，是由于随着频率升高，偶极子旋转越快，从而产生的漏电流越大。

如果要降低介质损耗对SDD21的影响，唯一需要调整是更低的耗散因子，较低的Dk也会有所帮助，但这是平方根依赖关系，可供选择的范围不大。

降低导体损耗

当使用低损耗电介质（例如Megtron 6或7，甚至是新的Rogers RO1200）时，通道损耗主要由导体损耗决定。

如何减少导体损耗？假设使用的是最平滑的铜箔，则上述关系公式指出只有两个选项可以减少铜损：减小单位长度的电阻或者增加差分阻抗。

减小单位长度电阻的唯一选择是增加走线的线宽，较大的线宽将具有较低的单位长度电阻。

但是，差分阻抗也会受到线宽的影响，通常，如果仅增加线宽，则差分阻抗将减小，增加线宽将同时减小分子和分母，最终的结果怎样呢？

问题就在这里，取决于线宽对单位长度电阻和差分阻抗的影响，最终结果是，更宽的线可能不会大大降低插入损耗。这里是进行详细分析很重要的地方，2D场求解器是一个很好的工具，可以用作虚拟原型来分析这些折衷方案。

为什么较高的差分阻抗可能比较低的差分阻抗具有更低的损耗？如果在不改变线宽的情况下增加了差分阻抗，例如通过使用较厚的电介质，则衰减将与差分阻抗的增加成正比地减小。

在差分特征阻抗从85欧姆提升到100欧姆时，在恒定的线宽下，差分阻抗增加18％，如果插入损耗由导体损耗决定，则插入损耗将降低多达18％。

如果采用保持差分阻抗恒定来设计更宽的线路，则插入损耗将与线宽成比例地减少。

以下是降低导体损耗的一些方法：

使用尽可能厚的介质层

在信号层和返回层之间使用尽可能低的Dk

使用松散耦合的差分对（这比紧耦合允许更宽的线宽）

使用尽可能高的差分阻抗

使用能负担得起的最光滑的铜

当降低损耗是设计中的主要目标时，这些应该是设计尽可能低的导体损耗的指导原则。

仅增加线宽，损耗会怎样？

对于松散耦合的带状差分线，5 mil的线宽，100欧姆特性阻抗，可以使用2D场求解器评估增加线宽对损耗的影响。
较宽的线会减小电阻，但也会减小差分阻抗，二者的比值有什么变化？在此示例中，我们将查看14 GHz的频率，即28 Gbps NRZ信号或56 Gbps PAM4信号的奈奎斯特频率。

在此示例中，介质损耗被关闭，并且假设使用的是非常光滑的铜，在14 GHz时，仅因导体损耗引起的每英寸插入损耗为0.404 dB /inch。这意味着对于20 inch长的传输线，由导体损耗导致的14 GHz处的插入损耗为0.404 x 20 = 8.1 dB，SDD21为-8.1 dB。粗糙的铜和介质损耗可能会使损耗增加2-4倍。

如果只是增加线宽，则差分阻抗将减小，插入损耗会怎样？通过调整两条走线的线宽，可以计算出差分阻抗和14 GHz下每英寸的插入损耗，图3是差分阻抗和传输系数SDD21的图。

随着线宽的增加，插入损耗的确会变小，但是影响不会像差分阻抗幅度降低的那么大。

例如，在100欧姆差分阻抗下5mil的走线，在14 GHz下的插入损耗为0.404 dB /英寸，只是将线宽增加到7mil，差分阻抗就会降低到85欧姆，插入损耗会增加到0.37 dB /英寸。

线宽增加了40％，但是插入损耗仅降低了8％，这就是为什么要最大程度地降低插入损耗，请在不改变差分阻抗的情况下，增加线宽。

在此示例中，我们降低了差分阻抗，插入损耗降低了。但是，如果保持线宽恒定并减小差分阻抗，则插入损耗会因导体损耗而增加。同时，介质损耗将保持不变，不受差分阻抗的影响，因为它与几何形状无关，而仅与材料特性有关。

总结

在探索差分通道的设计空间时，重要的是要考虑损耗的根本原因，以及设计和材料选择如何共同发挥作用，减少导体损耗，不仅与增加线宽有关，还与减小差分阻抗有关。

如果我们要做的只是减小差分阻抗，则在线宽保持恒定的情况下，插入损耗可能会增加，或者在更改线宽以调整差分阻抗时，插入损耗可能会减小。细节很重要。这些权衡只能使用2D场求解器进行具体分析。