一.什么是傳輸線

我們經(jīng)常會(huì)用到傳輸線這一術(shù)語(yǔ)，可是講到其具體定義時(shí)，很多工程師都是欲言又止，似懂非懂……

我們知道，傳輸線用于將信號(hào)從一端傳輸?shù)搅硪欢?，下圖說(shuō)明了所有傳輸線的一般特征

所以，可以這樣理解：傳輸線由兩條一定長(zhǎng)度導(dǎo)線組成，一條是信號(hào)傳播路徑，另一條是信號(hào)返回路徑。

2.和電阻，電容，電感一樣，傳輸線也是一種理想的電路元件，但是其特性卻大不相同，用于仿真效果較好，但電路概念卻比較復(fù)雜

3.傳輸線有兩個(gè)非常重要的特征：特性阻抗和時(shí)延

二.傳輸線分類(lèi)

經(jīng)常用到的雙絞線，同軸電纜都是傳輸線

對(duì)于PCB來(lái)說(shuō)，常有微帶線和帶狀線兩種

微帶線通常指PCB外層的走線，并且只有一個(gè)參考平面

帶狀線是指介于兩個(gè)參考平面之間的內(nèi)層走線

下圖為微帶線和帶狀線示意圖及其阻抗計(jì)算公式，可以從這個(gè)公式中看出，阻抗和那些因素有關(guān)，但是實(shí)際工程應(yīng)用中，都是用一些專(zhuān)業(yè)軟件進(jìn)行阻抗計(jì)算，比如Polar

三.傳輸線阻抗

先來(lái)澄清幾個(gè)概念，經(jīng)常會(huì)看到阻抗，特性阻抗，瞬時(shí)阻抗，嚴(yán)格來(lái)講，他們是有區(qū)別的，但是萬(wàn)變不離其宗，它們?nèi)匀皇亲杩沟幕径x.

將傳輸線始端的輸入阻抗簡(jiǎn)稱(chēng)為阻抗

將信號(hào)隨時(shí)遇到的及時(shí)阻抗稱(chēng)為瞬時(shí)阻抗

如果傳輸線具有恒定不變的瞬時(shí)阻抗，就稱(chēng)之為傳輸線的特性阻抗

特性阻抗描述了信號(hào)沿傳輸線傳播時(shí)所受到的瞬態(tài)阻抗，這是影響傳輸線電路中信號(hào)完整性的一個(gè)主要因素

如果沒(méi)有特殊說(shuō)明，一般用特性阻抗來(lái)統(tǒng)稱(chēng)傳輸線阻抗

簡(jiǎn)單的來(lái)說(shuō)，傳輸線阻抗可以用上面的公式來(lái)說(shuō)明，但如果往深里說(shuō)，我們就要分析信號(hào)在傳輸線中的行為，Eric Bogatin博士在他的著作《Signal Integrity :Simplified》里面有很詳細(xì)的說(shuō)明，讀者可以找原著來(lái)進(jìn)行細(xì)究，這里只做一個(gè)簡(jiǎn)述：

*以下分析收自與網(wǎng)絡(luò)資料網(wǎng)際星空網(wǎng)站oldfriend老師的作品*

當(dāng)訊號(hào)沿著一條具有同樣橫截面的傳輸線移動(dòng)時(shí)，假定把1V的階梯波(step function)加到這條傳輸線中(如把1V的電池連接到傳輸線的發(fā)送端，電壓跨在發(fā)送線和回路之間)，一旦連接，這個(gè)電壓階梯波沿著該線以光速傳播，它的速度通常約為6英寸/ns。這個(gè)信號(hào)是發(fā)送線路和回路之間的電壓差，它可以從發(fā)送線路的任何一點(diǎn)和回路的相臨點(diǎn)來(lái)衡量。

就是一種恒定電流。流入回路的負(fù)電流實(shí)際上與流出的正電流相等，而且正好在信號(hào)波的前端，交流電流藉由上、下線路組成的電容，結(jié)束整個(gè)循環(huán)過(guò)程。

訊號(hào)傳遞時(shí)，會(huì)在傳輸線內(nèi)建立一個(gè)電場(chǎng)，而這訊號(hào)傳遞的速度取決于在訊號(hào)與回路周?chē)饘俨馁|(zhì)的電荷充放電與磁場(chǎng)生成速度。

對(duì)電池來(lái)說(shuō)，當(dāng)信號(hào)沿著傳輸線傳播，并且每隔0.01ns對(duì)連續(xù)0.06英寸傳輸線段進(jìn)行充電。從電源獲得恒定的電流時(shí)，傳輸線看起來(lái)像一個(gè)阻抗器，并且它的阻抗值恒定，這可稱(chēng)為傳輸線路的浪涌阻抗(surge impedance)。同樣地，當(dāng)信號(hào)沿著線路傳播時(shí)，在下一步之前(0.01ns之內(nèi))，把這一步的電壓提高到1V所需供應(yīng)的能量(電流)，這就涉及到瞬時(shí)阻的概念。

如果信號(hào)以穩(wěn)定的速度沿著傳輸線傳播，并且傳輸線具有相同的橫截面，那么在0.01ns中每前進(jìn)一步需要相同的電荷量，以產(chǎn)生相同的信號(hào)電壓。此時(shí)，信號(hào)著這條線前進(jìn)時(shí)，會(huì)遭遇同樣的瞬時(shí)阻抗，這被視為傳輸線的一種特性，被稱(chēng)為特性阻抗。如果信號(hào)在傳遞過(guò)程的每一步的特性阻抗相同，那么該傳輸線可認(rèn)為是可控阻抗(controlled impedance)傳輸線。

瞬時(shí)阻抗或特性阻抗，對(duì)信號(hào)傳遞質(zhì)量而言非常重要。在傳遞過(guò)程中，如果下一步的阻抗和上一步的阻抗相等，工作可順利進(jìn)行，但若阻抗發(fā)生變化(阻抗不匹配)，那會(huì)出現(xiàn)一些問(wèn)題。為了達(dá)到最佳信號(hào)質(zhì)量，設(shè)計(jì)目標(biāo)是在信號(hào)傳遞過(guò)程中盡量保持阻抗穩(wěn)定，首先必須保持傳輸線特性阻抗的穩(wěn)定，因此，可控阻抗板的生產(chǎn)變得越來(lái)越重要。另外，其它的方法，如余線(stub)長(zhǎng)度最短化、末端去除和整線使用，也用來(lái)保持信號(hào)傳遞中瞬時(shí)阻抗的穩(wěn)定。

四.傳輸線阻抗的計(jì)算

設(shè)計(jì)一個(gè)預(yù)定的特性阻抗，需要不斷調(diào)整線寬、介質(zhì)厚度和介電常數(shù)。如果知道傳輸線長(zhǎng)度和材料的介電常數(shù)，就可以計(jì)算出特性阻抗以及其它參數(shù)

求解特性阻抗的途徑有三種：

1.經(jīng)驗(yàn)法則；

2.解析近似；

3.采用數(shù)值仿真的場(chǎng)求解器。

這里只看看經(jīng)驗(yàn)法則，其中兩種還是交給專(zhuān)業(yè)的軟件或者PCB人員吧：）

對(duì)于50ohm微帶線：w=2h,對(duì)于50Ohm帶狀線：b=2w

經(jīng)驗(yàn)法則：FR4上50Ω微帶線的線寬w等于介質(zhì)厚度h的兩倍。50Ω帶狀線，兩平面間總介質(zhì)厚度b等于線寬w的兩倍。