Диэлектрические потери в диэлектриках: 1.3. Потери в диэлектриках. 1. Диэлектрические материалы. Химия радиоматериалов. Курс лекций

что это такое, виды, методика расчета

Мы привыкли считать, что потери электрической энергии происходят в проводниках из-за сопротивления. Это верно, но существуют ещё диэлектрические потери. Они хоть и незначительны, но при определённых условиях их влияние может оказаться ощутимым. О потерях энергии в диэлектрической среде первыми обеспокоились энергетики, применявшие в качестве диэлектрика трансформаторное масло.

Что такое диэлектрические потери?

Применение электроизоляционных материалов основано на том, что они препятствуют электрическому току преодолевать некоторое пространство, ограниченное изолятором. Идеальный изолятор должен абсолютно исключить условия для проводимости электрического тока. К сожалению, в природе не существует таких материалов. Таких диэлектриков также не сумели создать в лабораторных условиях.

Теоретически можно обосновать существование идеальных изоляторов, но синтезировать на практике такие вещества не реально, так как даже ничтожно малая доля примесей образует диэлектрическую проницаемость. Иначе говоря, рассеяния энергии в диэлектрической среде будут наблюдаться всегда. Речь может идти об усилиях, направленных на уменьшение таких потерь.

Исходя из того, что часть электроэнергии неизбежно теряется в изоляторе, был введён термин «диэлектрические потери» – необратимый процесс преобразования в теплоту энергии электрического поля, пронизывающего диэлектрическую среду, То есть, это электрическая мощность, направленная на нагревание изоляционного материала, пребывающего в зоне действия электрического поля.

Значение потерь определяется как отношение активной мощности к реактивной. Обычно активная мощность, потребляемая диэлектриком очень мала, по сравнению с реактивной мощностью. Это значит, что искомая величина тоже будет мизерной – сотые доли от единицы. Для вычислений используют величину «тангенс угла», выраженную в процентах.

Электрическую характеристику, выражающую рассеивающее свойство диэлектрика, называют тангенсом угла диэлектрических потерь. При расчётах принято считать, что диэлектрик является изоляционным материалом конденсатора, меняющего ёмкость и дополняющий до 90º угол сдвига фаз φ, образованный векторами напряжения и тока в цепи. Данный угол обозначают символом δ и называют углом рассеивания, то есть, диэлектрических потерь. Величина, численно равна тангенсу данного угла ( tgδ ), это и есть та самая характеристика диэлектрического нагрева.

tgδ применяется в расчётах для определения величины рассеиваемой мощности по соответствующей формуле. Поэтому его вычисление имеет практическое значение. Введение понятия тангенса угла позволяет вычислять относительные значения диэлектрических потерь. А это позволяет сравнивать по качеству различные изоляторы.

Именно этот показатель или просто угол δ производители трансформаторных масел указывают на упаковке своей продукции. По величине угла ( tg δ ) можно судить о качестве изолятора: чем меньше угол δ, тем высшие диэлектрические свойства проявляет изоляционный материал.

Методика расчета

Составим схему, в которой включен конденсатор с диэлектриком. При этом активная мощность в данной схеме должна соответствовать мощности, рассеиваемой в диэлектрике рассматриваемого конденсатора, а угол сдвига, образованный векторами тока и напряжения, должен равняться углу сдвига в конденсаторе. Такие условные схемы с последовательным и параллельным включением активного сопротивления представлены на рис. 1. На этой же картинке построены векторные диаграммы для каждой схемы.

Рис. 1. Эквивалентные схемы диэлектрикаРис. 2. Формулы для расчета

Значения символов понятны из рисунка 1.

Заметим, что в качественных диэлектриках величина  tg² δ  очень мала, поэтому ею можно пренебречь. Тогда каждая из формул для вычисления диэлектрических потерь приобретёт вид: P_a = U²*ω*C*tδ. Если напряжение в этой формуле выразить в вольтах, угловую частоту ( ω ) в с^-1, а ёмкость C в фарадах, то получим мощность ( P_a ) в ваттах.

Очевидно, что параметры вычислений на основании приведённых схем зависят от частоты. Из этого следует, что вычислив параметры диэлектриков на одной частоте, их нельзя автоматически переносить для расчётов в других диапазонах частот.

Механизмы потерь по-разному проявляются в твёрдых, жидких и газообразных веществах. Рассмотрим природу рассеяний в этих диэлектриках.

Диэлектрические потери в разных диэлектриках

В газах

Для газообразных веществ или их включений в материалах диэлектрика характерны ионизационные потери при определённых условиях: когда молекулы газа ионизируются. Например, ионизация газов происходит во время электрических пробоев сквозным током. При этом молекулы газа превращаются в ионы, создавая токопроводящий канал с максимумом напряженности. В результате диэлектрические потери лавинообразно возрастают, стремясь к максимуму tg угла.

При таких диэлектрических потерях мощность стремительно растёт: Р_и = А₁ f (U – U_и)³, где А₁ – постоянная, зависящая от вида вещества, f — частота поля, а символами U, U_иобозначено приложенное напряжение и напряжение ионизации, зависящее от давления газа.

Если величина напряжения U_и не достигает порога, необходимого для запуска процесса ударной ионизации, то нагревание диэлектрика является незначительным, потому что, при поляризации, пространственная ориентация дипольных молекул в газах не влияет на электропроводность. Поэтому газы – самые лучшие диэлектрики, с низкими потерями, особенно в диапазоне высоких частот.

Зависимость тангенса угла рассеивания мощности в диэлектриках с газовыми включениями, иллюстрирует график на рис. 3.

Рис. 3. Зависимость тангенса угла потерь

В жидких диэлектриках

Наличие диэлектрических потерь в жидкостях, в основном зависят от их полярности. В среде неполярных диэлектриков рассеяния обусловлены электропроводностью. При наличии в жидких веществах примесей дипольных молекул (так называемые полярные жидкости), рассеивание мощности может быть значительным. Это связано с повышением электропроводности, в результате дипольно-релаксационной поляризации.

Жидкие полярные изоляторы имеют выраженную зависимость потерь от вязкости. Поворачиваясь под действием магнитного поля в вязкой среде, диполи, в результате трения, нагревают её. Рассеиваемая мощность жидкого диэлектрика возрастает до тех пор, пока механизмы поляризации успевают за изменениями электрического поля. При достижении максимума поляризации  процесс стабилизируется.

В твердых веществах

Высокочастотные диэлектрики с неполярной структурой обладают небольшим tg δ. К ним относятся качественные материалы:

• сера;
• полимеры;
• парафин и некоторые другие.

Потери у диэлектриков с полярной молекулой более значительны. К таким материалам можно отнести:

• органические стёкла;
• эбонит и другие каучуковые вещества;
• полиамиды;
• целлюлозосодержащие материалы;
• фенолоформальдегидные смолы.

Керамические диэлектрики без примесей имеют плотную ионно-решётчатую структуру. У них высокое удельное сопротивление. а значение tg δ таких материалов не превышает величины 10^-3.

Вещества с неплотным расположением ионов обладают ионной поляризацией. У них наблюдается также электронно-поляризационная поляризация. tg δ этих диэлектриков ещё выше – от 10

-2.

Сегнетоэлектрики и вещества со сложными неоднородными структурами, такие как текстолит, пластмассы, гетинакс и другие, имеют  tg δ > 0,1.

Рассеивание мощности в результате сквозной электропроводимости происходит во всех диэлектриках. Однако потери становятся ощутимыми лишь при частотах от 50 до 1000 Гц, в температурном режиме более 100 ºC. Высокое переменное напряжение, как и удельное сопротивление также влияет на величину рассеивания.

Виды диэлектрических потерь

В зависимости от электрических свойств различных видов диэлектриков различают следующие виды диэлектрических потерь, сопровождающихся нагревом диэлектрика:

• ионизационные потери, наблюдаемые в газах;
• релаксационные потери в жидких (вязких) диэлектриках, в результате релаксационной поляризации;
• рассеяние в веществах, имеющих дипольную поляризацию;
• поляризационное рассеивание в веществах, имеющих сквозную электропроводность;
• высокочастотные резонансные потери;
• диэлектрические потери, вызванные неоднородностью структуры твердых диэлектриков.

Диэлектрические вещества по-разному ведут себя при различных температурах, при постоянном или переменном токе. Максимумы потерь происходят при достижении определённого порога температуры. Этот порог индивидуален для каждого вещества. Тангенс угла δ зависит также от приложенного напряжения (рис. 4).

Рис. 4. Зависимость тангенса угла  от напряжения

Чем измерить?

Рассчитывать потери диэлектриков по формуле не очень удобно. Часто величину tg производители определяют опытным путём и указывают на упаковках или в справочниках.

Существуют специальные измерительные приборы, такие как «ИПИ – 10» (производитель Tettex), «Тангенс – 3М» или измеритель «Ш2», позволяющие с высокой точностью определить уровень рассеивания в диэлектриках либо найти тангенс угла рассеяния. Устройства довольно компактны и просты в работе. С их помощью можно исследовать свойства твёрдых и жидких веществ на предмет диэлектрических потерь.

Что такое диэлектрические потери? — Сам электрик

Всем известно, что диэлектрик – это материал, который не дает электрическому току пройти. Таких материалов и веществ существует огромное количество. Кроме существенного свойства, они обладают и рядом других добавочных. К такой особенности относятся диэлектрические потери – энергия, которая рассеивается в материале под влиянием электрических полей. Из-за этой энергии материал нагревается, в результате чего может произойти его тепловое разрушение и другие неблагоприятные последствия. Далее мы рассмотрим, что такое диэлектрические потери в диэлектриках, как они возникают и с помощью чего измеряются.

• Методика расчета
• Виды потерь
• В газах
• В твердых веществах
• В жидкостях
• Обзор измерительных приборов

Методика расчета

Диэлектрические потери требуют измерения по достаточно сложной системе просчета. Эта система состоит из нескольких этапов. В первую очередь необходимо рассчитать мощность, которой обладает диэлектрик и что рассеивается в нем при переменном напряжении. Определяется она по формуле:

Pa=U*Ia

Ниже на рисунке изображены схемы последовательного (а) и параллельного (б) подключения конденсатора и активного сопротивления, а также векторные диаграммы токов в них.

Таким образом, можно определить активный ток, формула расчета которого будет следующая:

Вторая величина — это тангенс угла вектора полного значения тока до его емкости. Этот угол еще называют диэлектрический угол потерь. Ic — емкость диэлектрика.

Делая выводы из полученных данных, получается более развернутая формула для расчета мощности:

При этом ток рассчитывается по формуле: угловая частота*емкость конденсатора. Исходя из предоставленных формул, можно рассчитать мощность следующим образом:

Исходя из этой формулы видно, от каких факторов зависят качество и надежность такого устройства, как диэлектрик. Если смотреть по графику, то видно, что свойства возрастают при уменьшении угла.

Виды потерь

В газах

В газообразных веществах электропроводность маленькая и как результат диэлектрические утери также будут незначительными. При поляризации молекул газа ничего не случается. В таком случае применяется так называемая кривая ионизации.

Такая подчиненность свидетельствует о том, что при увеличении напряжения угол также будет повышаться. А это означает, что в изоляции существует включение газа. В случае большой ионизации, потеря газа будет значительной и как результат – нагревание и разрушение изоляции.

Поэтому изготавливая изоляцию очень важно учитывать тот факт, что вкрапления газа должны отсутствовать. Для этого используется особенная обработка. Суть ее заключается в следующем: в вакууме происходит сушка изоляции. Затем поры наполняются компаундом, который находится под напором и потом происходит обкатка.

В результате ионизации появляются окислы азота и озона, которые разрушают изоляцию. В моменты, когда эффект ионизации возникает на участке неравномерных полей, это при передаче приводит к снижению коэффициента полезного действия.

В твердых веществах

Твердый диэлектрик обладает определенными характеристиками, такими как состав, структура и поляризация, которые приводят к возникновению диэлектрических потерь. Например, в сере, парафине или полистироле они отсутствуют, поэтому данные вещества широко используют как высокочастотный диэлектрик.

Кварц, соль и слюда обладают сквозной электропроводностью, поэтому они характеризуются незначительной величиной данных потерь.

Диэлектрические потери не зависят от частоты (а), будут уменьшаться вместе с частотой поля по гиперболическому закону. Зато с температурой они зависят напрямую по экспоненциальному закону (б).

Кристаллический диэлектрик, такой как керамика или мрамор обладает характерным показателем этого значения. Это объясняется тем, что в их составе есть примеси полупроводников. Такой материал обладает отличительным свойством: диэлектрические потери напрямую связаны с окружающей средой и ее условиями. Поэтому в зависимости от смены факторов, которые окружают диэлектрик, величина одного материала может изменяться.

В жидкостях

В этом случае потери напрямую связаны с составом материала. Если в жидкостях отсутствуют какие-либо примеси, то она будет нейтральна и утери будут стремиться к нулю, так как электропроводность низкая.

Жидкости с полярностью или с наличием примесей используют для определенных технических целей, так как диэлектрические утери у них будут гораздо выше. Это объясняется тем, что такие жидкости обладают своими особенными свойствами, например, вязкость. А так как их устанавливает дипольная поляризация, то эти жидкости называют дипольными. При возрастании вязкости диэлектрические потери возрастают.

Помимо этого жидкости обладают определенной зависимостью потерь от температуры. Когда температурный режим увеличивается тангенс угла также увеличивается до максимального показателя. Затем опускается до минимального показателя и снова возрастает. Это объясняется тем, что под воздействием температуры изменяется электропроводность.

Обзор измерительных приборов

Существуют специальные приборы для измерения потерь. К ним относят прибор «ИПИ – 10», прибор фирмы Tettex, с его помощью изучаются диэлектрики твердых и жидких веществ. Автоматизированная установка с названием «Тангенс – 3М» используется для определения тангенса угла в жидких диэлектриках (на фото ниже). Также используют измеритель «Ш2 – 12ТМ».

Напоследок рекомендуем просмотреть полезное видео по теме:

Теперь вы знаете, что собой представляют диэлектрические потери в диэлектриках, как производится их расчет и измерения. Надеемся, предоставленная информация была для вас полезной!

Также рекомендуем прочитать:

• Для чего нужна изолирующая штанга
• Причины потерь электроэнергии на больших расстояниях
• Программы для расчета заземления

Опубликовано 21.12.2016 Обновлено 18. 10.2017 Пользователем Александр (администратор)

【Подробный комментарий】Что такое потери при передаче, диэлектрические потери и тангенс угла диэлектрических потерь?

Автор: Хидэки Томозава
Дата обновления: 4 ноября 2022 г.

Что такое потеря передачи?

Потери при передаче относятся к таким сигналам, как электричество, свет и звук, которые затухают на пути передачи в зависимости от расстояния. Затухание сигнала происходит, когда часть исходной энергии сигнала преобразуется в другую энергию, например, в тепло. Общеизвестно, что потери передачи на печатных платах (PCB) увеличиваются на более высоких частотах.
В этой статье в основном описываются причины потерь при передаче на печатных платах (PCB), а также способы расчета и уменьшения этих потерь.

Однако наши данные, представленные далее в этой статье, были измерены с использованием печатной платы (PWB), поэтому она описывается как PWB. Механизм и поведение потерь при передаче одинаковы как для PWB, так и для PCB. Определения PWB и PCB следующие.
Печатная проводная плата (PWB): плата до монтажа компонентов.
Это печатная плата с только проводкой до монтажа компонентов. Иногда ее называют печатной платой, необработанной печатной платой, необработанной платой, голой печатной платой или голой платой.
Печатная плата (PCB): плата после монтажа компонентов.
Это печатная плата после монтажа компонентов.

Пример потерь при передаче по частоте

Оценочная плата: Микрополосковая линия

Типы потерь при передаче

Потери при передаче уже давно рассчитываются и обсуждаются как сумма диэлектрических потерь и потерь в проводнике. Поскольку потери при передаче на печатных платах в полосе высоких частот в последние годы привлекают внимание, акцент сместился на разницу между измеренными «потерями при передаче» и рассчитанной «суммой диэлектрических потерь и потерь в проводнике».

Ведутся обсуждения, чтобы интерпретировать разницу между этими измеренными и рассчитанными значениями как «потери на рассеяние» на границах диэлектрика (подложка для печатной платы) и проводника (сигнальная линия). Несмотря на то, что методы расчета диэлектрических потерь и потерь в проводнике уже установлены, метод расчета потерь на рассеяние остается на стадии обсуждения. В этой статье описываются потери на рассеяние в дополнение к диэлектрическим потерям и потерям в проводнике, которые обычно рассматриваются как причины потерь при передаче. В данной статье потери при передаче определяются как сумма этих трех потерь.

Потери при передаче = диэлектрические потери + потери в проводнике + потери на рассеяние

Что такое диэлектрические потери?

Диэлектрические потери относятся к части энергии, рассеиваемой в диэлектрике в виде тепла при воздействии переменного электрического поля. Диэлектрические потери зависят от свойств диэлектрика, а их величина определяется тангенсом угла диэлектрических потерь и значениями диэлектрической проницаемости. Потери обычно увеличиваются на более высоких частотах, а также по мере увеличения тангенса угла диэлектрических потерь и диэлектрической проницаемости.
Что касается печатных плат, проводящие сигнальные линии (проводка) формируются на или как на, так и под подложками в качестве диэлектриков, и когда сигналы переменного тока (ток) проходят по сигнальным линиям, к диэлектрикам прикладывается переменное электрическое поле. Часть энергии сигнала рассеивается внутри диэлектриков в виде тепла в виде диэлектрических потерь, что приводит к ослаблению исходной энергии сигнала.

Что такое тангенс угла диэлектрических потерь (tan δ, Df, коэффициент диэлектрических потерь)?

Тангенс угла диэлектрических потерь относится к численному выражению одного аспекта отношения энергии, рассеиваемой в виде тепла, когда переменное электрическое поле приложено к диэлектрику. Он также представлен тангенсом δ, тангенсом дельта, тангенсом дельта, коэффициентом диэлектрических потерь или коэффициентом диэлектрических потерь, в то время как Df (коэффициент диэлектрических потерь) в основном используется в области техники.

Когда переменное электрическое поле прикладывается к идеальному диэлектрику, состоящему исключительно из емкостных компонентов, разность фаз между электрическим полем и током, генерируемым поляризацией и инверсией заряда, составляет 90 градусов. Поскольку потребляемая мощность переменного тока выражается как векторное произведение электрического поля и тока, разность фаз на 90 градусов означает, что потребляемая мощность равна нулю, т. е. нет потребляемой мощности, тепла и потерь. Однако разность фаз в реальном диэлектрике отклоняется от 90 градусов из-за эквивалентного параллельного сопротивления, которое необходимо принять с учетом диэлектрической поляризации и частичного разряда, в дополнение к току утечки, который возникает из-за того, что сопротивление самого диэлектрика конечно. Если отклонение угла от 90 градусов равен δ, то его тангенс (тангенс δ) эквивалентен той составляющей, в которой электрическое поле и ток совпадают по фазе, причем только эта синфазная составляющая отвечает за потребляемую мощность, а именно за потери. Этот тангенс называется тангенсом угла диэлектрических потерь.

Тангенс угла диэлектрических потерь – это коэффициент, пропорциональный диэлектрическим потерям; больший тангенс угла диэлектрических потерь tan δ или больший угол δ, отклоняющийся от 90 градусов, приводит к большему энергопотреблению, большему выделению тепла и, следовательно, к более высоким диэлектрическим потерям.

Термин «электростатический тангенс» встречается в редких случаях, но считается, что это путаница или смешение «электростатической емкости» и «тангенса угла диэлектрических потерь», которые являются основными характеристиками в области конденсаторов, которые Это еще одна область, помимо печатных плат, где тангенс угла диэлектрических потерь находится в центре внимания.

Что такое диэлектрическая проницаемость (ε) и относительная диэлектрическая проницаемость (εr, Dk, k, диэлектрическая проницаемость)?

Диэлектрическая проницаемость относится к величине, выражающей величину заряда, генерируемого поляризацией в ответ на единичное электрическое поле, приложенное к диэлектрику; он также представляет собой показатель того, насколько легко диэлектрик поляризуется. Чем выше диэлектрическая проницаемость, тем больше заряда генерируется на единицу электрического поля, и, соответственно, количество заряда, меняющего или колеблющегося положительного и отрицательного, или переменного тока, увеличивается в приложенном переменном электрическом поле. Следовательно, если тангенс угла диэлектрических потерь не равен нулю, более высокая диэлектрическая проницаемость вызывает большее потребление энергии, то есть большее выделение тепла, что приводит к более высоким потерям.

В большинстве случаев вместо диэлектрической проницаемости ε часто используется относительная диэлектрическая проницаемость ε _r = ε/ε ₀ , которая представляет собой отношение диэлектрической проницаемости ε к диэлектрической проницаемости вакуума ε ₀ . Относительная диэлектрическая проницаемость выражается как Dk («Dielektrizitätskonstante» на немецком языке) в первую очередь в области техники, где «k» также используется как «материал с низким k». Обычно ε _r используется в физике, а Dk и k — в технике. Относительная диэлектрическая проницаемость также представлена ​​относительной диэлектрической проницаемостью или диэлектрической проницаемостью.

Как описано выше, величина диэлектрических потерь определяется тангенсом угла диэлектрических потерь и значениями диэлектрической проницаемости. Диэлектрики (материалы подложки для печатных плат) с низким тангенсом угла диэлектрических потерь и низкой диэлектрической проницаемостью требуются, особенно в диапазоне высоких частот, для уменьшения диэлектрических потерь.

Материалы Resonac с низкими диэлектрическими потерями

Что такое потери в проводнике?

Потери в проводнике относятся к части энергии, рассеиваемой в виде тепла (Джоулево тепло) внутри проводника из-за сопротивления и скин-эффекта (подробности описаны ниже) проводника, используемого в качестве сигнальной линии (проводки) печатной платы. В случае сигнала постоянного тока, чем выше сопротивление проводника, тем больше энергии потребляется, что приводит к большему джоулеву теплу и большим потерям. Что касается сигнала переменного тока, более высокие частоты способствуют большим потерям, потому что скин-эффект уменьшает глубину скин-слоя, которая является мерой того, насколько далеко ток проходит от поверхности проводника, эффективно создавая более высокое сопротивление.

Сопротивление проводника зависит от удельного электрического сопротивления проводника, его формы и скин-эффекта и возрастает с увеличением удельного электрического сопротивления, более узких, тонких и длинных сигнальных линий и меньшей глубины скин-слоя на более высоких частотах, тем самым увеличивая потери в проводнике.

Взаимосвязь между потерями в проводнике, скин-эффектом и удельным сопротивлением

Скин-эффект относится к большему электрическому току, протекающему к внешней поверхности проводника, чем к его центру, когда приложено переменное электрическое поле. Этот эффект возникает, когда вихревые токи генерируются внутри проводника с магнитным полем, создаваемым электромагнитной индукцией, и индуцированной электродвижущей силой и током, создаваемым магнитным полем. Эти вихревые токи текут в направлении, противоположном току в центре проводника, но движутся в том же направлении вблизи поверхности; следовательно, скин-эффект вызван тем, что больший ток течет ближе к поверхности. Мера того, насколько далеко ток проходит от поверхности проводника, называется глубиной скин-слоя. Чем выше частота и меньше удельное электрическое сопротивление проводника, тем более выражен скин-эффект. По мере увеличения скин-эффекта увеличиваются потери в проводнике из-за меньшей глубины скин-слоя, что уменьшает действующую площадь поперечного сечения тока и увеличивает сопротивление проводника переменному току.
По мере увеличения скин-эффекта уменьшается глубина скин-слоя, что уменьшает действующую площадь поперечного сечения тока и увеличивает сопротивление проводника переменному току, что увеличивает потери в проводнике.

Сопротивление проводника можно уменьшить, чтобы уменьшить потери, но значительное улучшение сопротивления считается затруднительным, поскольку медь почти исключительно используется в качестве материала проводника с промышленной точки зрения, удельное электрическое сопротивление меди фиксировано, магнитная проницаемость меди связана с электромагнитной индукцией скин-эффект фиксирован, а форма сигнальных линий зависит от требований к конструкции. Помимо диэлектрических потерь, потери на рассеяние в настоящее время привлекают внимание как метод улучшения потерь при передаче, как описано далее.

Что такое потери при рассеянии?

Потери на рассеяние относятся к электрическим сигналам, которые рассеиваются и рассеиваются в виде тепла на шероховатой части поверхности проводника или поверхности раздела проводник-подложка, когда на проводник воздействует электрическое поле высокой частоты.

Для печатных плат поверхности и интерфейсу проводника обычно придают шероховатость для улучшения сцепления между сигнальными линиями (проводники: медь) и подложками (диэлектриками) или другими материалами. В прошлом влияние этой придающей шероховатости обработки на потери при передаче рассматривалось как незначительная проблема, но с увеличением скин-эффекта в более высоких частотных диапазонах рассеяние, вызванное шероховатостью поверхности проводника и границ раздела проводник-диэлектрик, было признано серьезной проблемой. основной фактор, влияющий на потери передачи. Как упоминалось в начале, эти результирующие потери выражаются как разница между измеренными «потерями при передаче» и рассчитанной «суммой диэлектрических потерь и потерь в проводнике».

Существует также идея, что потери, вызванные шероховатостью поверхностей проводников и интерфейсов, можно рассматривать как часть скин-эффекта и включать в потери в проводниках. Однако в этой статье потери описываются как потери на рассеяние, отдельно от потерь в проводнике, после определения того, что было бы легче понять, если бы потери, возникающие в результате придания шероховатости по обсуждаемой формуле, и потери в проводнике, учитывающие глубину скин-слоя как повышенная резистентность с уже установленной его формулой, определяются как разные.

Несмотря на то, что модель и формула потерь на рассеяние еще не установлены в связи с текущими дискуссиями, можно с уверенностью сказать, что потери на рассеяние, возникающие в результате шероховатой поверхности проводника и границы раздела проводник-диэлектрик в результате придания шероховатости для повышения адгезии, являются основным фактором. Для уменьшения потерь на рассеяние требуются материалы, способные свести к минимуму эту шероховатость, обеспечивая при этом прочную адгезию к уменьшенной шероховатости поверхности и интерфейса.

Материалы Resonac с низкими потерями на рассеяние

Краткий обзор различий между диэлектрическими потерями, потерями в проводнике и потерями на рассеяние

Методы расчета потерь при передаче

Формула для диэлектрических потерь

Величина диэлектрических потерь определяется диэлектрической проницаемостью диэлектрика и тангенсом угла диэлектрических потерь.

Формула диэлектрических потерь

• α _d : Диэлектрические потери, K: Константа пропорциональности, f: Частота, ε _r : Относительная диэлектрическая проницаемость, tan δ: Тангенс угла диэлектрических потерь

Формула для расчета потерь в проводнике

Для различных цепей были предложены различные формулы потерь в проводнике. Для простой микрополосковой линии, представляющей собой цепь, образованную сигнальной линией шириной W на верхней поверхности подложки и заземлением на всей нижней поверхности, потери в проводнике с учетом скин-эффекта выражаются следующей формулой.

Формула потерь в проводнике

• α _c : Потери в проводнике, K ₁ , K ₂ , K ₃ : Константы пропорциональности, f: Частота, ρ: Удельное сопротивление, W: Ширина линии, R: Сопротивление проводника,
  d: Толщина скин-слоя, μ: Магнитная проницаемость

Подробнее о расчете микрополосковой линии (MSL) и копланарного волновода (CPW) см. в следующих ссылках, где представлены основные формулы.

MSL:
Кэм Нгуен, «Методы анализа плоских структур ВЧ, СВЧ и миллиметровых волн», JOHN WILEY & SONS, INC., 2000, с. 68-71.

CPW и CPW с тыльными проводниками:
KC Gupta, R. Garg, IJ Bahl, «Microstrip Lines and Slotlines», Artech House, 1979.
Cam Nguyen, «Analysis Methods for RF, Microwave, and Millimeter-Wave Planar Transmission Линейные структуры», JOHN WILEY & SONS, INC., 2000, с. 71-74.

Обсуждения формулы для потерь на рассеяние

Модели потерь на рассеяние предлагались до этого момента (сентябрь 2021 г. ) из-за того, что только формулы диэлектрических потерь и потерь в проводнике не соответствуют измеренным значениям, но продолжаются дискуссии по поводу точности формула потерь при рассеянии. Пожалуйста, обратитесь к следующим ссылкам для основных моделей расчета потерь рассеяния.

Пол Г. Хурей, «Основы целостности сигнала», IEEE PRESS, John Wiley & Sons, Inc., 2010, с. 216-276.
Стивен С. Тирауф, «Целостность сигнала высокоскоростной печатной платы», ARTECH HOUSE, INC., 2004, с. 17-30.

В настоящее время кажется реалистичным понимать разницу между измеренными «потерями при передаче» и рассчитанной «суммой диэлектрических потерь и потерь в проводнике» как «потери на рассеяние».

Что такое потери при передаче на печатных платах (PCB)? (краткое содержание)

Потери при передаче, возникающие в сигнальных линиях на печатной плате, выражаются как сумма диэлектрических потерь, определяемых тангенсом угла диэлектрических потерь и диэлектрической проницаемостью диэлектрика, используемого в качестве материала подложки для печатных плат, потерь в проводнике, вызванных сопротивлением проводник, используемый в качестве сигнальной линии печатной платы, и потери на рассеяние, возникающие из-за шероховатости поверхностей сигнальных линий и интерфейсов сигнальная линия-подложка.

Потери при передаче = диэлектрические потери + потери в проводнике + потери на рассеяние

Примеры и влияние потерь передачи на печатные платы (ПП)

Пример 1: Диэлектрические потери

Диэлектрические потери определяются тангенсом угла диэлектрических потерь и диэлектрической проницаемостью диэлектрика, используемого в качестве материала подложки печатной платы, и потери увеличиваются на более высоких частотах.

Ниже приведены результаты измерений с использованием печатных плат Showa Denko Materials (PWB). Потери при передаче различаются из-за изменения диэлектрических потерь при различных значениях тангенса угла диэлектрических потерь и диэлектрической проницаемости.

Пример потерь передачи, изменяющихся из-за изменения диэлектрических потерь при различных значениях тангенса угла диэлектрических потерь и диэлектрической проницаемости

Оценочная плата: микрополосковая линия
Волновое сопротивление: прибл. 50 Ом
Метод калибровки: TRL
Температура и влажность: 25 ℃/60 % относительной влажности

• ※ На основе метода возмущения объемного резонатора.

Пример 2: Потери на рассеяние

Поверхность проводника (медного), используемого для сигнальной линии печатной платы, обычно делается шероховатой для улучшения сцепления с различными материалами. Однако эффект шероховатой части поверхностей и интерфейсов становится больше из-за увеличения скин-эффекта и уменьшения глубины скин-слоя на более высокой частоте. Потери на рассеяние связаны с тем, что сигнал в этой шероховатой части рассеивается и рассеивается в виде тепла. Эти потери, связанные с шероховатостью поверхности проводника, становятся больше при более шероховатой поверхности.

Решения Resonac

Диэлектрические потери положительно коррелируют с тангенсом угла диэлектрических потерь и диэлектрической проницаемостью материалов подложки и смол. Точнее, диэлектрические потери пропорциональны тангенсу угла диэлектрических потерь и квадратному корню из диэлектрической проницаемости. Поэтому мы считаем, что тангенс угла диэлектрических потерь и диэлектрическая проницаемость материалов подложки и смол как диэлектриков должны быть снижены, чтобы уменьшить диэлектрические потери. Кроме того, учитывая, что потери на рассеяние можно уменьшить за счет уменьшения шероховатости поверхности проводника и интерфейса, мы также считаем необходимым улучшить материалы подложки, способные обеспечить адгезию с уменьшенной шероховатостью поверхности, а также смолы или клейкие листы с повышенной адгезионной прочностью.

Showa Denko Materials предлагает широкий выбор материалов для подложек и смол с превосходными низкими диэлектрическими свойствами и прочностью сцепления. Потери при передаче можно уменьшить, используя хорошо сбалансированные смолы с низкой диэлектрической проницаемостью.

Материалы Resonac с низкими потерями при передаче

Диэлектрические потери | физика | Британика

• Развлечения и поп-культура
• География и путешествия
• Здоровье и медицина
• Образ жизни и социальные вопросы
• Литература
• Философия и религия
• Политика, право и правительство
• Наука
• Спорт и отдых
• Технология
• Изобразительное искусство
• Всемирная история

• В этот день в истории
• Викторины
• подкастов
• Словарь
• Биографии
• Резюме
• Самые популярные вопросы
• Обзор недели
• Инфографика
• Демистификация
• Списки
• #WTFact
• Товарищи
• Галереи изображений
• Прожектор
• Форум
• Один хороший факт

• Развлечения и поп-культура
• География и путешествия
• Здоровье и медицина
• Образ жизни и социальные вопросы
• Литература
• Философия и религия
• Политика, право и правительство
• Наука
• Спорт и отдых
• Технология
• Изобразительное искусство
• Всемирная история

• Britannica объясняет
  В этих видеороликах Britannica объясняет различные темы и отвечает на часто задаваемые вопросы.
• Britannica Classics
  Посмотрите эти ретро-видео из архивов Encyclopedia Britannica.
• #WTFact Videos
  В #WTFact Britannica делится некоторыми из самых странных фактов, которые мы можем найти.
• На этот раз в истории
  В этих видеороликах узнайте, что произошло в этом месяце (или любом другом месяце!) в истории.
• Demystified Videos
  В Demystified у Britannica есть все ответы на ваши животрепещущие вопросы.

• Студенческий портал
  Britannica — лучший ресурс для учащихся по ключевым школьным предметам, таким как история, государственное управление, литература и т. д.
• Портал COVID-19
  Хотя этот глобальный кризис в области здравоохранения продолжает развиваться, может быть полезно обратиться к прошлым пандемиям, чтобы лучше понять, как реагировать сегодня.
• 100 женщин
  Britannica празднует столетие Девятнадцатой поправки, выделяя суфражисток и политиков, творящих историю.