本文要點：

PCB 上的傳輸線是波導(dǎo)的一種形式，沿著波導(dǎo)的邊界形成了一個開放的諧振器結(jié)構(gòu)。

銅所具有的非理想性質(zhì)會改變傳輸線結(jié)構(gòu)中的典型波導(dǎo)行為。

一般傳輸線的阻抗可以通過考慮波的傳播行為來計算，前提是必須兼顧導(dǎo)體的非理想性質(zhì)。

傳輸線有許多種形式，如同軸線、印刷電路板上的印刷走線，或是長電纜或電線。這些結(jié)構(gòu)都有一些類似的行為，涉及到電磁波如何沿互連線傳播。盡管這些結(jié)構(gòu)是引導(dǎo)電磁擾動沿互連線傳播的基礎(chǔ)，但對于信號如何在傳輸線上傳播，人們往往存在誤解。

具體而言，互連線上的電磁信號存在于線路的周圍，這意味著信號是在無限大的導(dǎo)電介質(zhì)中傳播的。換句話說，傳輸線實際上是波導(dǎo)，而支持波傳播的結(jié)構(gòu)將決定信號在線路上遇到的阻抗。一旦到達更高的頻率，TEM 行為將不再主導(dǎo)波的傳播，這有助于從波阻抗的角度來理解信號行為。

沉積銅膜的粗糙性質(zhì)會改變銅的理想阻抗和波導(dǎo)的波。

一. 從波的角度理解傳輸線的阻抗

從電報方程中可以發(fā)現(xiàn)，傳輸線上的信號行為是用電壓和電流表示的。這有助于理解由驅(qū)動器件產(chǎn)生的電壓和電流將如何沿互連線傳輸?shù)?a target="_blank">接收器件。對于 PCB 設(shè)計人員來說，該信息非常重要，尤其是有助于了解損耗如何降低接收器的信號電平。

現(xiàn)實情況是，傳輸線上的信號是由 PCB 基板中的行進電磁場所描述的，而不是使用電報方程中的電壓和電流。出于這個原因，我們需要使用波阻抗來理解行進中的電磁波所遇到的實際阻抗：

波阻抗方程

阻抗是根據(jù)場強來定義的

上述方程是通用方程，因為它考慮了互連線上的電場和磁場，而不是電報方程中的電壓和電流。雖然二者的結(jié)果可以等同，但實際情況是，阻抗取決于電場和磁場的比率。在這里，波阻抗將在整個頻域內(nèi)變化，并趨向于一個恒定值，就像我們在典型的傳輸線中看到的那樣。事實上，這就是保形映射中使用的阻抗定義，用于直接從波方程中確定傳輸線阻抗方程。請參閱 Brian C. Waddell 編寫的開創(chuàng)性教科書《傳輸線設(shè)計手冊》(Transmission Line Design Handbook)，了解常見的 PCB 走線形狀的結(jié)果。

現(xiàn)在，我們可以完整地描述信號如何在無限大的介質(zhì)中傳播，包括導(dǎo)電介質(zhì)。

信號如何在無限大的導(dǎo)電介質(zhì)中傳播

在上述方程中，波的阻抗取決于其所在介質(zhì)的電導(dǎo)率。我們在實踐中通常會遇到三種可能的介質(zhì)：

1. 絕緣電介質(zhì)：電導(dǎo)率非常低的一種材料。例如，我們可以把 PCB 層壓板的電導(dǎo)率視為零。

2. 半導(dǎo)電介質(zhì)：半導(dǎo)體的電導(dǎo)率不為零，在高場強下會呈現(xiàn)出輕微的非線性。

3. 導(dǎo)體：導(dǎo)體的電導(dǎo)率非常高，所以波阻抗也非常高。

對于自由空間中無限長的導(dǎo)線，場完全存在于導(dǎo)線周圍，而不是在導(dǎo)線內(nèi)部。然而，場可以作為平面波在導(dǎo)線周圍傳播，并且場在遠離導(dǎo)線的地方會完美趨同于平面波行為。

一旦讓接地平面靠近導(dǎo)體（在實際的互連線中就是如此），就不再會有信號在無限大的導(dǎo)電介質(zhì)中傳播，我們需要考慮邊界條件對波傳播的影響。

二. 所有介質(zhì)都是有邊界的

所有的導(dǎo)電介質(zhì)及其周圍的區(qū)域都是有邊界的，并受到一些邊界條件的影響。由于電磁場和導(dǎo)體中的電荷之間會發(fā)生相互作用，導(dǎo)體周圍也會產(chǎn)生趨膚效應(yīng)，但導(dǎo)體周圍的場仍然會受到參考地平面、其他導(dǎo)體、吸收體以及其他任何定義兩介質(zhì)之間界面的東西影響。正是這些邊界條件決定了特性（無損）阻抗、波阻抗和互連的傳播常數(shù)。

有兩種方法來確定實際系統(tǒng)的阻抗：

1. 根據(jù)電報方程確定的電勢場計算出電場和磁場，并利用這些電場和磁場計算出互連中的波阻抗。

2. 使用保形映射、矩量法、特性法等技術(shù)，或使用 3D 場求解器，直接通過電磁波方程計算波阻抗。

以下圖的帶狀線為例。沿著 y 軸有兩個邊界條件，電場終止于導(dǎo)電參考平面。沿著 x 軸，理論上沒有邊界，但我們有一個位于 x-z 平面的無窮大的通量守恒邊界條件。

即便是像帶狀線這樣相對開放的波導(dǎo)腔，也有一些邊界條件，決定了阻抗、傳播常數(shù)和信號損耗。

在本例中，邊界條件定義了一個色散關(guān)系，決定了結(jié)構(gòu)特征頻率的傳播常數(shù)。信號周圍的所有導(dǎo)電邊界中都會出現(xiàn)趨膚效應(yīng)，這將影響色散關(guān)系和互連中產(chǎn)生的波阻抗。

從分析角度看，這是一個復(fù)雜的轉(zhuǎn)換，考慮了趨膚效應(yīng)損失、銅的粗糙性和 PCB 基板的色散。在毫米波和更高的頻率上，波的行為成為主導(dǎo)，互連不再表現(xiàn)為 TEM 波導(dǎo)。在標準無線協(xié)議中使用的較低頻率時，特別是在天線設(shè)計中，這一點也非常重要。利用 PCB 設(shè)計軟件中提供的3D 場求解器，我們可以將互連中的電磁場可視化，確定波阻抗和阻抗匹配，并直接計算互連中的功率傳輸?shù)戎匾獏?shù)。

在設(shè)計高速/高頻互連時，我們需要理解信號在無限大的導(dǎo)電介質(zhì)中傳播的波行為。為此，可以使用 Cadence 的 PCB 設(shè)計和分析軟件來構(gòu)建并評估設(shè)計。Cadence 為 PCB 設(shè)計提供了業(yè)界一流的 CAD 工具，以及強大的信號完整性分析工具，能夠自動執(zhí)行系統(tǒng)分析中的多項重要任務(wù)。Cadence 的布線前或布線后仿真功能套件將助您一臂之力，為您提供評估系統(tǒng)所需的一切功能。

本文轉(zhuǎn)載自： Cadence楷登PCB及封裝資源中心微信公眾號

審核編輯 黃宇