电阻损耗和介电损耗

在高速传输领域，为什么信号通过传输线时会“衰减”（变小）？这次，我们将讨论信号衰减，包括电阻损耗和介电损耗，这些损耗取决于传输路径周围的材料。
近年来，随着5G和毫米波信号的普及，号称“兼容！”的各种材料和低损耗元件正在引起人们的关注。我们相信，连接器与此类产品的匹配、设计和开发也将取得进步。所以，我想大致解释一下这些产品的技术背景、它们为何优秀以及它们有什么用处。

为什么信号变小?

在考虑信号变小的原因时，原因可以分为两个系统。

理由 (1) 反射损失

第一种是称为反射或串扰的现象，即信号走向错误的方向或变成不同的信号。特别是，回波损耗在连接器中仍然占主导地位，对于我们目前支持高达相当于25 Gbps高速传输的产品来说，控制特性阻抗以降低回波损耗是实现高速支持的最大挑战。そちらに関しては、本ページ内の別記事『「フローティング」と「高速伝送」は相反する要求？”，所以我们希望它对您有所帮助。

原因 (2) 失去的能量变成热量

第二个现象是信号能量转化为热能，导致信号变小。
这是，

・发热取决于导体的电阻 =电阻损失
・周围材料（电介质）发热时损失的现象=介电损耗

您可以将其分为两个。首先，我将从阻力损失开始讨论，这可能是许多熟悉的人。

关于电阻损耗

电阻损耗:欧姆定律

我想我在初中听说过，但有一个定理是“欧姆定律”。如果电阻=R通过电流=I,则在其前后产生电压。电阻消耗功率=W。每个关系都是欧姆定律，如下所示。

消耗的电能将电能转换为其他电能。如果是马达等，就会转换成动能，如果是小灯泡和照明器具等，就会转换成光能。这在电阻中转换为“热”。插在插座上的插头一侧的电线变热，就是这个现象。或者，有些人可能已经玩过“好热!”，因为他们小时候用电线短路了干电池的两端，但这种现象也是如此 (让我们停止它，因为它很危险・・・) 。以这种方式，最初用于信号的能量被转换成热量并被消耗，因此信号变小。

表皮效应现象

顺便说一句，电信号的频率越高，它就越容易变小。我相信许多从事信号工作的工程师都通过自己的经历经历过这一点。主要因素之一是由于导体的“集肤效应”而导致的电阻增加。集肤效应是一种随着频率增加，携带电信号的电流被导体内部的电磁场拉向表面的现象。顺便说一句，这可能有点琐碎，但如果你是理科专业的，你可能在大学里学过一种叫做“理想导体”的东西。如果电阻值为零，则导体内部不存在电磁场。因此，不会发生集肤效应。事实上，在这种情况下，电流从一开始（在直流阶段）仅流过导体表面。因此，虽然我之前写过“导体内部的电磁场将其拉向表面”，但更准确的说法可能是“将其拉向导体的力变弱”。如果我们将这种现象转化为数学公式，我们会得到一个稍微复杂的公式，如下所示。这个有点难处理...

表皮厚度

我觉得稍微容易理解了，但是还是有点复杂。所以，我将总结我想在这里粗略总结的三点。

① 表皮逐渐变薄，与√f成正比=高频时电阻值增加
②电导率数值越高，效果越大，但由于电阻率本来就低，所以“就这样吧”。
③ 磁导率越高，程度越大=磁性金属在高频下往往具有较高的电阻。

作为参考，对于经常用作导体的铜，在1GHz时约表皮厚度为2μm,在10GHz时约为0.6μm。最近计算网站等也很充实，所以请各种计算看看。

导体的形状和材质

让我们花点时间思考一下在高频下电阻值难以增加的导体的形状和材料。
首先，我们从形状开始。一般情况下，很多人的理解是“导体的截面积越大=即导体越粗，电阻值越低，即使有电流通过也不易发热=很难信号变小。”我想是的。如果它们具有相同的形状，则导线越粗，电阻越低，即使在高频下也是如此。另一方面，由于上一节中解释的集肤效应，电流偏向导体的表面，因此我们正在进入一个区域，在该区域中，具有大的表面积而不是横截面积是有利的。下图就是这样的图像。

所谓电线，使用容易确保截面积的圆线，一直有利于高速传输，但最近出现了更容易增加表面积的FPC/FFC的情况的导体，具有优势。我们还在“高速传输解决方案”下的“ 25Gbps浮动板对板连接器（BtoB）”中提到了使用FFC的25Gbps兼容解决方案，所以请看一下。

磁性镀镍

他还总结了“皮肤厚度”，指出“磁性金属在高频下往往具有更高的电阻。”具体来说，从最长的传输路径开始，镀镍等材料在高频下变得越来越难以处理。镀镍具有优异的耐腐蚀性，作为各种类型的基础镀层非常有效。镀镍还用作连接器镀金的基础。在部分镀金的情况下，外层大部分是镍，在相当高的频率下，电流只流过那里。换句话说，我们正在进入一个基础材料不再相关的领域。
然而，幸运的是，我们处理的连接器的尺寸还没有构成问题，正如我在开头提到的，“特性阻抗的控制”已经成为一个战场。另一方面，在未来，当电连接器需要承受数百Gbps至Tbps的传输速度时，例如，需要在最外层表面镀上低电阻金属，或者转向我们正在进行产品开发，同时牢记可能存在以下情况：

同样的电力的话，电流越小越好吗?(高压线等)

我想谈谈一个略有不同的观点。
当您外出为家里的电源插座提供 100V 电源时，您可能见过或听说过“高压电源线”。发电厂以数万伏的极高电压发电。如果直接使用的话会很不方便，而且很危险，所以我们会降低电压，但在变电站我们只降低到6600V。然后，使用安装在每个家庭前面的电线杆上的变压器最终将电压降低至 100V。 6600V看起来仍然很危险，安全措施需要花钱，而且电力线路事故还远未达到零。既然如此，有些人可能会认为，还是早点把电压降到100V比较好。然而，有必要发送一定水平的高电压的电压，这是有充分理由的。这是因为，如果要发送相同的功率，如果使用较低的电压，则必须发送更大的电流。我们再来说一下欧姆定律：W（功率）=V（电压）x I（电流）。电流越大，传输过程中损失的能量就越多。
看下图。包括输电线路、为各类设备供电的电线以及电路板上的走线都具有“电阻”。如电阻损耗部分所述，那里损失的能量为 R x I2。换句话说，电流越小，损失的能量就越少；换句话说，以更高的电压发送功率时，损失也更小。

在电气化进程中，尤其是在欧洲，有一种趋势是将混合动力汽车的电池电压从 12V 改为 48V。这也体现了这个内容（电压似乎越高越好，但由于电线和易用性等安全标准的问题，48V似乎是一个更好的平衡）。
让我解释一下高频世界中发生的事情。

流过传输线的电流=特性阻抗

在高频和高速传输的世界中，流经线路的电流和电压之间的平衡由线路的结构和材料决定。此时的电压/电流之比是一个称为特性阻抗的参数。更详细一点的信息，请参考《‘浮动’和‘高速传输’要求是否矛盾？”。当试图发送相同的信号能量时，特性阻抗越高，流过的电流越小。这是否意味着可以通过使特性阻抗尽可能高来减少电阻损耗？说得稍微复杂一点，这个说法稍微正确，但总体来说是错误的。唯一稍微正确的答案是，如果导体具有相同的电阻值，则它是正确的。然而，如果您尝试增加特性阻抗，并且具有相同的导体，则需要“更大的空间”。换句话说，如果想在有限的空间内使用更大的导体=电阻值更低的导体=更低的损耗，就需要降低特性阻抗。
这在之前的文章《‘浮动’和‘高速传输’是矛盾的要求吗？”中也有解释，但下图简要总结了连接器中增加和减少特性阻抗的要素。

可以看到“上升”的元素需要更大的空间或者更小的导体。电阻损耗功率为R x I2，因此增加R会增加I，因此存在权衡关系。
那么，是不是可以利用特性阻抗来优化电阻损耗呢？实际上，有一个点“恰到好处”=最小值。有一种东西叫做同轴电缆，但主要有两种类型：50Ω和75Ω。实际上，它是每种条件下最优解的阻抗。特性阻抗还取决于绝缘体的介电常数，因此如果使用聚乙烯作为绝缘体，如果圆角好点的话会是50Ω，如果绝缘层是空气的话会是75Ω，这是标准的对于同轴电缆的两个系统，其特性阻抗超过了同轴电缆，使其在当今非常受欢迎（差分电缆的特性阻抗是其两倍）。无论如何，特性阻抗必须与前后相关连接相匹配。在目前的高频应用中，特性阻抗的选择已经成为事实上的标准，在降低和优化电阻损耗方面已经取得了很好的平衡，所以我认为在这方面没有必要太原创。马苏。

好吧，我想暂时谈论与电阻损耗相关的主题，我想谈谈介电损耗。

关于介电损耗

介电损耗:容易用微波炉加热的材料不好吗?

除了电阻损耗之外，还有能量在绝缘体中变成热的损耗，这种现象称为介电损耗。我简单说明一下是什么现象。在高频电场中，材料分子被震动并产生热量，但可能会有人带针，但这与微波炉的机制相同。话说回来，用微波炉加热的时候，有容易变热的和不容易变热的。当使用塑料袋或托盘进行范围加热时，我认为有些人觉得袋子和托盘本身是温暖的，而不是这样。在传输高频电信号的传输路径的绝缘体中，它更温和，但与微波炉中发生的事情相同。因此，如果使用易于用微波炉加热的材料作为传输路径的绝缘体，则信号能量的损失变大。我想详细谈谈这方面的事情。

阻尼常数和介电损耗以及介电正切由材料和频率决定

在专栏中，我尽量不使用尽可能复杂的计算公式，但这次是一个有点令人困惑的人。如果您头痛，请快速跳过此项目。作为解开传输线路分析的方法，有一种称为“分布常数电路”的方法。在粗略的实际解释中，我们将使用电路方法分析电磁现象，信号如何变小=衰减常数由以下公式表示。

α=R/2x√(C/L)+G/2x√(L/C)

其中，第二项的“G/2x√ (L/C) ”属于介电损耗。RLCG分别称为传输线的R=电阻分量、L=电感分量、C=电容分量和G=电导分量。这里曲者是G的电导分量，高频下有G=tanδ×ωC的关系。这里的tanδ是一个称为介电相切的参数，它显示了材料特定微波炉中的可加热性。在此基础上，如果你进一步变形，

tanδ×ω×C×√(L/C)/2=1/2×tanδ×ω√(LC)

还√（LC）是 √ε_真的ç由于它几乎无限等于材料的（真实）介电常数，

1/2×tanδ×ω×√εtrue

按钮，将选定控件在Tab键次序中下移一个位置。(真) 介电常数的原因是材料的介电常数与空气的介电常数之比的“相对介电常数”在实际应用中广泛使用，并且已经确定它被简单地称为介电常数，学术 (?) 的原始介电常数作为 (真) (就像小熊猫和大熊猫的关系・・・・)。ω是将角频率=2πf=频率乘以2倍的圆周率。这意味着介电损耗仅取决于介电正切，介电常数和频率，这是每种材料的特征值。没有大小等构造上的必要条件。

高速传输和低介电材料的普及

介电损耗与频率成正比，如上一节所述。另一方面，电阻损耗在“表皮厚度”一节中有提及，√f=与频率的1/2次方成正比。在频率较低的地方，电阻损耗占主导地位，但随着频率的增加，介电损耗变得更加明显，因此各种部件所需的传输速度已超过10Gbps目前，由于赶超，介电损耗正在成为一个严重的问题。如前所述，介电正切 (成比例) 和介电常数 (与1/2次方成比例) 越低，介电损耗越小。介电正切作为直接效应更大，但是当介电常数降低时，它也有助于降低电阻损耗，因为内部金属可以被大量使用 (特性阻抗)，因此两者都是同样重要的这是一个参数。在这种背景下，PCB已经开发出各种改变为传统FR-4的低介电板材料。我听说每家公司都在低介电方面进行竞争，同时保持结构和耐工艺的特性。此外，在FPC中，正在开发具有比传统材料PI (聚酰亚胺) 更低介电正切/更低介电常数的LCP类型，以及具有超低损耗的PTFE。

高速FFC及其连接器

最后，

多年来，与高速传动相关的零部件和材料的发展更加迅速。正如开头提到的，我们正在开发的连接器正逐渐进入注重降低电阻损耗和介电损耗的阶段，而不是通过突破特性阻抗点来提高性能。随着速度的进一步提高，趋肤效应对金属表面“光滑度”的影响可能会变得更加明显，相信低介电材料的发展会更进一步。即使到了这种时候，IRISO也希望能够开发出可以可靠连接的产品并将其交付给我们的客户！

在这里您可以找到有关我们针对高速传输连接器的各种举措的信息。请看一下。