介电损耗 — CAE术语解说

主要有两个场景。①高频PCB（印制电路板）的信号损耗评估——GHz频段的信号在基板（FR4等）的介电体中传播时，介电损耗角正切（tan delta）越大，信号作为热量流失越多。5G基板设计中，低损耗介电体（PTFE、低介电损耗角正切材料）的选择是SI（Signal Integrity）设计的核心。②微波加热·介电加热——在微波炉和工业用介电加热装置中，材料的介电损耗产生发热。FEM电磁场解析中计算体积热源 = sigma * |E|^2 + omega * epsilon_r * epsilon_0 * tan_delta * |E|^2。

是复介电率的虚部与实部的比值。复介电率可以写成 epsilon = epsilon_r - j*epsilon_i，其中 tan_delta = epsilon_i / epsilon_r。实部表示电场能量的储存，虚部表示损耗（作为热散逸的能量）。FR4（标准PCB材料）在1GHz时的tan delta约为0.02，低损耗的PTFE约为0.001——相差数个数量级。当高频信号沿着长配线传播时，这个差异会对信号质量产生很大影响。

在CST或Ansys HFSS等电磁场FEM中设置材料的复介电率（epsilon_r和tan_delta）。求解器计算介电体内部的电场分布E(x,y,z)，然后输出功率损耗密度 P_loss = 0.5 * omega * epsilon_0 * epsilon_r * tan_delta * |E|^2。将这个发热分布传递给热FEM进行CHT（共轭传热）分析——电磁加热耦合。COMSOL Multiphysics的RF+Heat Transfer模块可以一次性解决这个问题。在微波炉的均匀加热设计和微波等离子体装置设计中会用到。

影响很大。在28GHz的5G信号中，FR4基板（tan_delta=0.02）的50cm配线传输损耗约为-10dB以上——这意味着90%以上的能量转化为热。如果改用低损耗材料（Megtron6、Rogers RO4000系列，tan_delta=0.002～0.004），损耗会降低到原来的1/5到1/10。虽然材料成本增加10倍以上，但为了确保信号质量和功率效率，这是必需的。在高速服务器基板（112G PAM4信号）和车载雷达（76-81GHz）中也存在同样问题，基板材料和层叠设计的优化需要FEM分析不可或缺。