插入损耗(Insertion Loss)本质上就是能量去哪儿了?
当你往电缆里灌入 1 瓦的信号能量,另一头却只收到了 0.5 瓦。剩下的 0.5 瓦并不是凭空消失了,而是被转化成了热量或者被弹回来了。
在物理层面,主要有三个“能量小偷”:
1. 导体损耗 (Conductor Loss) —— “趋肤效应”
这是由铜线本身造成的损耗。
物理原理:
当直流电 (DC) 通过导线时,电流是均匀分布在整个铜线横截面上的。
但是,当交流电 (AC)频率升高时,变化的磁场会在导线内部产生涡流(Eddy Currents),这个涡流会把主电流排挤到导线的表面。
这就是著名的趋肤效应 (Skin Effect)。直观类比:
想象一条 8 车道的高速公路。- 低频时:所有 8 条车道都开放,车流顺畅(电阻小)。
- 高频时:中间的 6 条车道被封锁了,所有车只能挤在最外侧的 2 条应急车道上跑。
- 结果:路变窄了,拥堵加剧,阻力(电阻)急剧上升,能量都消耗在挤车的过程中了(发热)。
影响:频率越高,电流跑的截面积越小,电阻越大。损耗与频率的平方根 (f\sqrt{f}f)成正比。
(这也是为什么高频 PCB 板的铜箔表面必须非常光滑,因为电流只在表皮那薄薄的一层几微米跑,如果表面坑坑洼洼,路就更难走了)
2. 介质损耗 (Dielectric Loss) —— “分子摩擦”
这是由包裹在铜线外面的绝缘材料(如 FR4, 聚四氟乙烯)造成的损耗。
物理原理:
绝缘材料由分子组成,这些分子通常是极性的(像一个个小磁铁)。
信号在导线里传输时,伴随着高频变化的电场。绝缘体里的这些“小磁铁”分子会被电场强行拉着以此来回旋转、重新排列。直观类比:
想象你在搅拌一桶水。- 低频时:你慢慢搅,水分子很听话,阻力很小。
- 高频时:你疯狂地快速正反向搅拌。水分子来不及转身,互相剧烈摩擦,产生大量的热。
这就是为什么微波炉能加热食物(利用高频电场让水分子剧烈摩擦发热)。
影响:频率越高,分子转得越快,摩擦产生的热量越多。损耗与频率 (fff)成正比。
(这就是为什么 224G SerDes 要用极其昂贵的 Low-Loss 板材,就是为了减少这种“分子摩擦”)
3. 反射损耗 (Reflection Loss) —— “阻抗不匹配”
这部分能量没有转化成热量,而是直接原路返回了。
物理原理:
信号传输需要路面平整(阻抗连续)。如果在连接器、过孔(Via)或者线缆弯折处,阻抗发生了突变(比如从 50欧姆 变成了 45欧姆),一部分能量就会撞墙反弹回来。直观类比:
光线射到透明玻璃上。虽然大部分光透过去了,但总有一部分光被玻璃表面反射回来(你能看到自己的倒影)。
对于接收端来说,被反射回去的光就是损失掉的光。
总结:谁是主谋?
| 频率范围 | 主要损耗来源 | 物理原因 |
|---|---|---|
| 低频(< 1 GHz) | 导体损耗 | 电流被挤到表皮,电阻变大 |
| 高频(> 10 GHz) | 介质损耗 | 绝缘材料里的分子剧烈摩擦发热 |
| 任何频率 | 反射损耗 | 接头没接好,路不平 |
所以在 SerDes 这种超高频应用中,我们不仅要用表面光滑的铜(解决导体损耗),还要用损耗角正切 (Df) 极低的板材(解决介质损耗),这也是高速板材贵的根本原因。