我們常聽到的“特性阻抗”究竟是什么?它與通常所說的“阻抗”或“直流電阻”有何區(qū)別?雖然“特性阻抗”和“阻抗”都使用[Ω]單位，但它們之間存在什么差異?

接下來，我們將為您解答這些疑問。

特性阻抗表示不消耗電力傳輸線路的橫截面結構

阻抗以“Ω”為單位，表示交流電流流經(jīng)電阻、電容器或線圈時電流流動的阻力程度。其中阻抗的實部會因電流流動而消耗電力，虛部則不消耗電力，而是將電場與磁場作為能量暫時儲存。(參見第一期)

特性阻抗同樣采用“Ω”為單位，但不適用于電阻、電感、電容等電子元器件。

Zc值高的線路對應窄水道，Zc值低的線路對應寬水道

圖1所示通過電氣化表示PCB電路板布線、電纜、波導管等用于信號和電力傳送線路(也叫傳輸線路)的橫截面結構。特性阻抗與布線寬度的關系如圖2所示：布線寬度增大時特性阻抗降低。此外，從圖3可知特性阻抗與信號在布線上的傳播速度呈正相關——特性阻抗越高，傳輸速度越快。注1)

圖1(傳輸路徑示例)

圖2 特性阻抗與布線寬度的關系(絕緣層厚度0.1mm)

圖3 特性阻抗與信號傳輸速度的關系(絕緣層厚度0.1mm)

若以水道為例，特性阻抗(以下簡稱Zc)與布線結構的關系更易理解。假設Zc較小的布線為30Ω，Zc較大的布線為50Ω，則30Ω的布線相當于圖4(b)，50Ω的布線則對應圖5(b)。30Ω布線可類比為圖4(a)所示寬水道，50Ω線路則對應圖5(a)的窄水道。若設每秒流過的水量恒定，則可知寬闊水道的水流速度慢于狹窄水道，而水道越窄，水流速度越快。

從圖2可知，當阻抗Zc較小時，30Ω線路的布線寬度為0.35mm，而50Ω線路僅為0.15mm;當阻抗Zc較大時，布線寬度則變窄。這種規(guī)律與水路概念相吻合。此外，根據(jù)圖3可知，30Ω線路的信號傳播速度為1.57m/s，50Ω線路為1.58m/s。這表明布線寬度較大時信號傳輸時間較短，這與寬水道水流較慢的現(xiàn)象相一致。

圖4 寬闊的水道和特性阻抗較小的布線

圖5 狹窄水道與高特性阻抗的布線

特性阻抗是指傳輸線路中電感與電容的比值

那么同軸電纜和微帶線等傳輸線路的特性阻抗又該具體如何計算呢?

有關傳輸線路的結構及信號傳播機制將在第三期詳細闡述，但本期可將傳輸線路視為由大量的小微電容和電感組成的系統(tǒng)。

特性阻抗Z_c由單位長度電容[C]與電感[L]之比計算得出，符合公式(1)，其單位為“Ω”。

由于單位為“Ω”，乍看之下似乎像直流電阻那樣消耗電能，但在理想的無損耗傳輸線路上注1)并不會消耗電能。正如第一期所述，電容器和線圈不具有實數(shù)成分，虛數(shù)成分僅是暫時儲存電場與磁場能量，因此并不會實際消耗電能。

電感與電容的乘積表示信號傳輸線路上的延遲時間

除特性阻抗外，信號延遲時間也是重要的物理值。圖2展示了特性阻抗與信號傳播速度的關系，而延遲時間表示為其倒數(shù)。真空中的電磁波速度為3×10^8 m/s，因此傳播1米距離所需的延遲時間為3.33×10^(-9) [s/m]。在傳輸線路上，由于絕緣材料的介電常數(shù)大于真空，信號傳播速度會隨介電常數(shù)增大而減慢。介電常數(shù)影響傳輸線路的電容特性。傳輸線路上信號的延遲時間可通過電容與電感的乘積計算，如公式(2)所示。另需說明，信號傳播速度由公式(3)得出。

普通微帶線的傳播延遲為6～7ns/m(參見圖6)。該延遲在14cm～17cm布線長度下表現(xiàn)為1ns。對于1Gbps信號，傳輸1bit數(shù)據(jù)需耗時1ns，因此14cm～17cm的布線長度差異將導致1bit的信號延遲。若為10Gbps信號，則會產(chǎn)生10bit的信號延遲;即使布線差僅為1.4mm～1.7mm，仍會導致1bit的信號延遲。在設計高速數(shù)字電路及微波電路時，延遲時間與特性阻抗同為關鍵考量要素。

圖6 特性阻抗與傳播時間的關系(絕緣層厚度0.1mm)

當連接特性阻抗不同的傳輸線路時會產(chǎn)生反射

特性阻抗在電氣學中描述了電纜或PCB電路板上布線的結構特性，除此之外它還有哪些參考意義呢?

特性阻抗的另一重要意義在于連接電纜或線路時需考慮匹配雙方特性阻抗。此前曾將特性阻抗比作水道，想象一下在相連不同寬度水道時的情景：當寬水道與窄水道相接時，水流在收窄處受阻，甚至可能引發(fā)倒流現(xiàn)象。

圖7 連接50Ω與70Ω線路時的信號流動

圖8 連接50Ω與30Ω線路時的信號流動

特性阻抗的情況下也會發(fā)生完全相同的現(xiàn)象。圖7展示了將特性阻抗為50Ω和70Ω的線路相連的實例。特性阻抗為50Ω的線路因布線寬度較大，信號傳播速度較慢;而70Ω線路因布線寬度較窄，信號傳播速度較快。當這兩種線路連接時，信號在變窄處發(fā)生反射并逆向流動。這與將不同寬窄水道相連時出現(xiàn)的水流現(xiàn)象完全一致。

那么如圖8所示，當連接特性阻抗為50Ω和30Ω時會發(fā)生什么情況呢?這相當于將窄水道與寬水道連接，在水道變寬的區(qū)域，水流變得順暢，因此水量減少——同理，信號也會產(chǎn)生負反射波導致信號衰減。

由此可見，當連接特性阻抗不同的線路時，連接處會產(chǎn)生反射波導致信號失真。此外，特性阻抗還需與信號源的輸出電阻及負載電阻保持匹配，這一點至關重要。

本期總結

關于特性阻抗的總結如下：

1.它表示傳輸信號或電力的電纜及電路板上的電氣結構，單位為“Ω”。

2.寬幅布線具有較低的特性阻抗，信號傳播速度較慢;而窄幅線路則具有較高的特性阻抗，信號傳播速度較快。

3.特性阻抗可通過Z_c=√(L?C)計算，傳播延遲時間則用T_d=√LC計算得出。

4.當連接特性阻抗不同的線路時，會產(chǎn)生反射波導致信號失真。

本次有關特性阻抗的講解您覺得如何?

在接下來的第三期，我們將深入淺出地解析傳輸線如何實現(xiàn)信號傳輸。

注1. 普通同軸電纜及電路板上的布線均具有導體電阻，且絕緣材料會通過微弱電流，因此會消耗少量電力并導致電信號衰減。這種影響在電纜或布線較長、信號頻率較高時尤為顯著。