表面粗糙度对传输线微波性能影响的全面综述

《IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques》：A Comprehensive Review of Surface Roughness Effects on Microwave Performance of Transmission Lines

表面粗糙度在微波频率下因皮肤效应和尺寸缩小变得显著，影响传输线性能。本文综述了表面粗糙度对微波传输线有效介电常数、特性阻抗、衰减等参数的影响机制，比较了拓扑、现象学和分形三种模型，总结了数学分析方法，并提出降低粗糙度影响的策略。

　　

摘要：

在过去的几十年中，微波电子技术不断向更高的小型化和集成化方向发展，同时工作频率也在持续提高。在低频电子技术的早期阶段，趋肤效应相对可以忽略不计。然而，随着频率的升高，趋肤效应已成为影响电子设备微波性能的关键因素。此外，随着器件尺寸的缩小，趋肤深度与导电部件的表面粗糙度相当，进一步加剧了这些效应。作为电子设备中信号传输的关键载体，传输线现在面临着由表面粗糙度在微波频率下带来的日益严峻的挑战。在这项工作中，我们回顾了表面粗糙度对传输线微波性能的影响，研究了其背后的物理机制，并对现有文献中的矛盾观点进行了分析。我们还比较了三类表面粗糙度模型——拓扑模型、现象学模型和分形模型——强调了相关因素在现象学模型中的作用，并讨论了每种方法的优点和局限性。同时，我们总结了用于分析传输线微波性能的主要数学方法。此外，我们探讨了表面粗糙度如何影响传输线的特性，包括有效介电常数、特性阻抗、衰减、相位延迟和损耗。最后，我们提出了一些策略来减轻表面粗糙度对微波传输线性能的不利影响。

引言

表面粗糙度已成为现代电子传输线中一个越来越重要的物理特性。在传统的低频应用中，其对电气性能的影响通常可以忽略不计，因为趋肤深度远大于导电表面的特征粗糙度。然而，毫米波集成电路（MIMICs）、封装和组装技术的进步推动了器件向极小化发展，使得趋肤深度与表面粗糙度达到了相同的数量级[1]、[2]、[3]、[4]。与此同时，MIMICs的工作频率显著提高，数据传输速率现已接近或超过100 GHz[5]、[6]、[7]、[8]、[9]、[10]、[11]。测量表明，电子设备的拓扑特征可能会表现出超过几米的峰谷变化[12]、[13]。在某些应用中，导体表面被故意加工成粗糙状，以增强多层结构中介电基底与导电层之间的界面粘附力，尤其是在高温高压条件下[12]、[14]。此外，制造过程本身也会显著影响表面粗糙度[15]、[16]、[17]。作为微波电子技术的关键组成部分，传输线在器件尺寸缩小和工作频率升高的情况下面临着维持微波性能的日益严峻的挑战。图1展示了现代电子系统中使用的各种传输线的表面粗糙度图像。在微波频率下，由于经典的趋肤效应，当表面粗糙度与趋肤深度相当时，表面粗糙度会显著降低金属的导电性，增加导体损耗，并改变相速[18]、[19]、[20]、[21]。此外，两个导电表面之间的实际接触面积仅为设计接触面积的一小部分[22]，并且在微机电系统（MEMS）长时间运行过程中，这个实际接触面积往往会增加[23]。因此，接触电阻和电容都会受到显著影响[24]。实验数据显示，在40 GHz以下的频率下，表面粗糙度可能导致同轴线的总导体损耗增加高达9.2%[25]，并在多吉赫兹范围内使铜箔的有效导电性降低50%–70%[12]。对于其他常见的传输线几何形状，如带状线和微带线，已知表面粗糙度引起的导体损耗会随频率的增加而显著增加[26]、[27]。此外，高频电磁波的波长更短，使其更容易受到金属表面不规则性和氧化层引起的散射和衰减的影响[28]。随着现代微波电路继续向太赫兹（THz）领域发展[28]、[29]、[30]、[31]、[32]，表面粗糙度对维持电磁性能构成了更大的挑战。例如，Latif等人[30]报告称，在0.34 THz频率下运行的矩形波导慢波结构中，由于表面粗糙度导致铜的导电性降低了62%。这些发现强调了在设计和制造微波设备时考虑表面粗糙度的必要性，以确保电磁可靠性。图1.

不同传输线的表面粗糙度剖面。(a) 以30°角度扫描的粗糙铜表面的扫描电子显微镜（SEM）照片[33]。(b) 印刷电路板（PCB）铜包层的SEM图像，插图是树枝状晶簇的放大图像[34]。带有标准箔的PCB的SEM图像(c) 每个带状线结构的横截面视图(d) 中央条状导体的放大视图[19]。(e) 打印共面波导（CPW）样本的放大表面[1]。