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插入损耗是无线通信和射频电路设计中的重要指标之一，大部分射频工程师在设计之初都会估算电路或系统的插入损耗，并开始设计和选型。 的插入损耗影响电路的性能，在无线通信的重要部件如功率放大器中，降低插入损耗有利于提高放大器效率和提高热管理； 在天线应用中，低的电路插入损耗可以降低天线馈线的能量损耗，同时可以提高辐射单元的效率和天线的信号复盖范围。 本文从多个方面讨论了电路的插入损耗，有助于射频工程师了解电路总插入损耗的来源，更好地进行电路材料的选择和电路设计。
插入损耗
在射频和微波电路中，以最常见的传输线路为例，插入损耗(Insertion Loss )通常被定义为输出端口接收的功率Pl与输入端口的源功率Pi之比，通常用dB表示。 虽然插入损耗通常是由电路不匹配引起的，但电路设计为在理想状态下几乎不可能匹配。 一般来说，当返回损耗(Return Loss )小于-15dB时，认为电路良好地匹配。
图1、插入损耗的定义
在实际电路中，电路因电路设计和匹配、使用电路材料的损耗和加工等多种因素而发生损耗。 对于微带线电路，插入损耗主要包括介质损耗、导体损耗、辐射损耗和泄漏损耗几个部分，是各种损耗分量的总和。 辐射损耗通常在发生严重的失配，或者与天线等特定电路设计或微带线的宽度传输的高频信号的频率波长相比更为模拟的情况下，对通用微带线来说辐射损耗几乎很小。 泄漏损耗通常很小，因为高频PCB材料具有很大的体电阻，一般可以忽略。
因此，导体损耗和介质损耗是传输线路信号衰减的主要方面。 导体损耗包括传输线路上的信号路径和反馈路径上的能量损耗，起因于导体自身的阻抗。 介质损耗由构成电路的电路材料的耗散因子决定，选择损耗因子较小的电路材料有利于降低电路整体的插入损耗。
表皮效应
电路的导体损耗随频率的增加而增加。 在低频下，导体上的电流大致均匀地分布在导体内部； 但是，在高频下，导体会出现交流或交变电磁场。 此时导体内部的电流分布发生变化，电流主要集中在导体的表观薄层上。 如图2所示，越接近导体表面，电流密度越高，导体内部的电流越小或没有电流。 结果，导体的电阻增加，导体损耗也增加。 这种现象称为趋肤效应(skin effect )。
图2、表皮效应及表皮深度
根据趋肤效应，电流在导体表面分布的厚度称为趋肤深度(skindepth )，计算式如图2所示，式中为导体的电导率，为导磁率，ffreq为搭载信号的频率。 表1显示的是不同频率下铜导体的表皮深度。
表1、不同频率下铜导体的表皮深度
通常，在PCB基板的加工过程中，为了使铜箔牢固地粘接在不同的电介质材料上，要对铜箔的表面实施粗糙化处理，以改善与PCB电介质材料的结合力。 大多数PCB基板上压接着几种形式的铜箔导体，包括标准电解铜(Electro Deposited copper )、反转铜(Reverse Treated copper )、轧制铜。 如图3所示，简单地说，标准的ED铜是将硫酸铜溶液中的铜离子缓慢地电解成滚动的不锈钢研磨鼓而形成的。 与研磨不锈钢滚筒直接接触的铜的表面粗糙度比较平滑，但与溶液直接接触的铜大多较粗。 轧制铜箔通过轧机碾压铜块得到，连续的辊轴碾压可以得到厚度均匀性好、表面光滑的铜箔。 RT铜箔也是电解铜，只是将铜箔表面比较平滑的面压接在基材上而形成。
图3、不同铜箔的制造过程(a .电解铜； b .轧制铜)
不同铜箔的表面粗糙度不同，铜箔的表面粗糙度特征有各种各样的测量方法和测量单位。 对于RF微波的应用，Rq或RMS (均方根)值是比较合理的粗糙度表现方式。 不同铜箔的表面呈现出完全不同的颗粒和粗糙度特征，图4a和图4b显示出两种典型的铜箔标准ED铜与轧制铜介质接合面的表面特征； 4c表示几种常见的铜箔表面粗糙度的代表值。 可见标准电解铜箔的表面粗糙度较高，典型的RMS值为2.2um； 轧制铜的铜箔表面粗糙度小，典型的RMS值仅为0.3um。
图4、铜箔的表面粗糙度(a .标准电解铜表面的特征、b .轧制铜表面的特征； c .常用铜箔粗糙度值
）不同铜箔表面粗糙度会产生不同的寄生电感，导致铜箔表面阻抗的变化，从而产生不同的导体损耗。一般来说，当电路工作频率对应的趋肤深度小于或等于铜箔的表面粗糙度时，表面粗糙度的影响将变得非常显著。如图5，在5mil Rogers RO3003TM的相同电路材料上设计微带线测试其插入损耗。在频率<1GHz时，趋肤深度2.09um，大于标准电解铜粗糙度1.6um和压延铜0.3um，两种铜箔的电路的插入损耗差并不明显；而当频率逐渐升高时，此时标准电解铜与压延铜的插入损耗表现出显著的差异。因此，选择低粗糙度的铜箔有利于降低插入损耗，特别是在微波毫米波频段趋势更加明显。
图5、基于5mil RO3003TM的同一电路，不同铜箔的插入损耗比较
介质厚度
电路材料的介质厚度也对电路的导体损耗产生影响。图中数据曲线是通过罗杰斯公司基于Hammerstad和Jenson模型开发的MWI应用软件仿真得到。该软件可以准确计算微带传输线的阻抗和插入损耗值，其仿真结果与实测值十分吻合。
图6、基于RO4835TM的不同厚度下各损耗随频率变化
从图6中可以明显的看到，基于6.6mil, 10mil, 30mil不同厚度的Rogers的RO4835TM热固性材料上的50Ω微带线，导体损耗在6.6mil时最大，30mil最小；从而导致相同频率的电路总的插入损耗值也随着介质厚度增加而减小。
这种由于厚度不同引起的导体损耗变化的原因一方面是由于不同厚度下的相同50Ω微带线的线宽不同导致。另一方面铜箔粗糙度在不同厚度的相同材料上对导体损耗的影响也存在差异。
为进一步验证铜箔粗糙度对插入损耗在不同厚度上的影响，选取Rogers RO3003TM电路材料设计50Ω微带线进行研究测试。如图7所示，选取5mil和20mil的RO3003TM材料的标准ED铜和压延铜上分别制作成相同电路。可以看到在25GHz时，基于5mil厚度的标准ED铜和压延铜电路插入损耗之间的差为0.35dB/inch；而基于20mil厚度的标准ED铜和压延铜电路插入损耗之间的差异仅为0.1dB/inch。由于在相同材料厚度上的50Ω微带线具有相同的导体宽度，由线宽引入的导体损耗是相同的。所以在相同材料上，铜箔粗糙度在薄的介质材料上的插损影响比在厚的材料上更大，在这个例子中增加了0.25dB/inch。
因此，选取更厚的电路材料可以降低相同铜箔粗糙度条件下对于插入损耗的影响。但越厚材料会有越宽的线宽，对于微波及毫米波的电路应用，较宽的线宽容易产生不必要的杂散信号，影响信号的传输。因此需要对材料厚度及铜箔粗糙度进行权衡。
图7、基于RO3003TM的不同厚度下铜箔对插入损耗的影响
表面处理工艺
最终的电路都需要经过电路加工形成。电路的插入损耗也受电路加工中其他附加材料的影响，如电路的不同表面处理工艺。电路的表面处理对PCB电路加工是非常必要的。它不仅能够为元件焊接提供光滑可焊的表面，同时也为PCB的铜导体提供了保护。然而，大部分PCB表面处理材料的导电性都比铜箔的导电性差。导电性越差产生的导体损耗越高，从而电路的插入损耗也越大，特别是对宽带、高频电路更加明显。
在PCB的表面处理工艺中，常用的几种表面处理工艺包括阻焊油墨(Solder mask)、有机保焊膜(OSP)、化学沉锡、化学沉银、化学镍金(ENIG)等。阻焊油墨是一种高损耗的材料，其损耗因子为0.02；同时，阻焊油墨通常具有较高的吸水率，它也将导致电路插入损耗的上升。化学沉银是一个例外，银是一种良导体，但由于价格昂贵作为表面处理通常是非常薄的一层，基本不会引起损耗的增加。化学镍金中由于镍的导电性比铜差，且由于趋肤效应，在高频频段时电流将沿着导体的表面传输，导致电流将完全覆盖镍层和薄金层，如图8a。从而使得ENIG表面处理的电路会比使用裸铜的电路的插入损耗大很多。图8b给出了基于5mil RT/duriod®6002材料1/2oz压延铜的不同表面处理工艺相同微带线电路的插入损耗实测数据比较。
图8、表面处理工艺对插损的影响（a. 化学镍金剖面图，b. 多种不同表面工艺的插损比较）
电路结构
射频电路工程师往往需要选用某种PCB电路技术，如微带线、带状线或接地共面波导(GCPW)等来进行信号的传输。不同的电路传输技术对于最终的插入损耗也存在差异。微带线是最为简单的一种传输技术，但在高频毫米波频段时微带线由于辐射损耗而导致插损显著增加。带状线是用于微波毫米波频段的PCB传输线的一个极好选择，但电路加工过程稍显复杂。GCPW传输线技术的是中间导体、两侧接地面的电路结构，这种结构使其比微带线在毫米波频段有较小的辐射损耗，电路加工又比带状线简单。
图9显示了基于20mil Rogers RO4835TM材料的微带线与GCPW紧耦合电路均为裸铜时的插入损耗仿真结果。当频率较低时，微带线与GCPW辐射损耗都很小，而GCPW紧耦合电路由于导体线宽更窄导致更高的导体损耗，因此微带线相比GCPW有更低的插入损耗值；当频率较高时，微带线的辐射损耗显著增加，而GCPW的辐射损耗仍然很低，此时GCPW总的插入损耗就更低。
图9、微带线与紧耦合GCPW传输线插损仿真比较
对于选定的电路材料，铜厚不同也会导致GCPW传输线的插入损耗存在差异，这是因为GCPW结构中电磁场分布的原因。在GCPW电路结构中，电场既从顶层中心导体指向底层地面，也会从中心导体侧壁指向顶层的接地面来形成回流路径。当选用的铜箔更厚时，指向侧壁的电场路径将经由更多空气到达两侧接地面。相比于介质，空气损耗很低，因此此时相同电路下厚铜GCPW电路的总的损耗相对薄铜更小。同样，GCPW的接地间距s的大小也影响电路的插入损耗值。尽管接地间距小时利用空气更多，但此时导体宽度会变窄，导致导体损耗增加，结果相同电路下的总的损耗会增加。图10显示了基于10mil RO4835TM相同铜箔、不同铜厚和接地间距下的GCPW传输线的电路结构剖面图，并比较了它们的插入损耗情况。
图10、GCPW接地间距和材料铜厚的插入损耗比较
当在GCPW电路导体表面应用表面处理工艺时，其插入损耗的变化与微带线有所不同。以ENIG表面处理为例，如上节所述，微带线的插入损耗会由于ENIG表面处理而增加。基于8mil RO4003C标准ED铜材料上设计的50Ω微带线，其应用ENIG的电路在50GHz的插入损耗比裸铜是高约0.7dB；而基于同样电路材料设计的50Ω GCPW电路，其ENIG的电路在50GHz是插入损耗比裸铜高达1.1dB，如图11所示。应用ENIG的GCPW电路具有更高的插损不仅是由于如微带线一样，导体表面的镍层导致导体损耗的增加；同时电场回流路径由中心导体至顶层接地面时会再经由接地面表面的镍层，进一步导致了插损的增加。
图11、微带线与GCPW，裸铜与表面处理ENIG的插入损耗
结论
因此，电路的插入损耗受到多方面因素的影响。选择更低介质损耗和低铜箔表面粗糙度的电路材料有利于降低电路总的插入损耗。选择较厚的电路材料有利于减小相同铜箔表面粗糙度条件下对插入损耗带来的影响；但如果电路应用于毫米波频段时，就需要权衡介质厚度导致线宽更宽引起的杂散和辐射损耗的影响。同时，在电路设计和加工时，不同的电路结构以及使用不同的电路表面处理方式都将对电路总的插入损耗产生影响。全面考虑电路总的插入损耗的影响因素，选择合适电路材料、设计和加工可将电路的插入损耗降至最小，实现最优的电路设计。