傳輸線的特征及分類

一.什么是傳輸線

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

我們知道，傳輸線用于將信號從一端傳輸?shù)搅硪欢?，下圖說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度導(dǎo)線組成，一條是信號傳播路徑，另一條是信號返回路徑。

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.傳輸線有兩個非常重要的特征：特性阻抗和時延

二.傳輸線分類

經(jīng)常用到的雙絞線，同軸電纜都是傳輸線

對于PCB來說，常有微帶線和帶狀線兩種

微帶線通常指PCB外層的走線，并且只有一個參考平面

帶狀線是指介于兩個參考平面之間的內(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，都是用一些專業(yè)軟件進(jìn)行阻抗計(jì)算，比如Polar

三.傳輸線阻抗

先來澄清幾個概念，經(jīng)常會看到阻抗，特性阻抗，瞬時阻抗，嚴(yán)格來講，他們是有區(qū)別的，但是萬變不離其宗，它們?nèi)匀皇亲杩沟幕径x.

將傳輸線始端的輸入阻抗簡稱為阻抗

將信號隨時遇到的及時阻抗稱為瞬時阻抗

如果傳輸線具有恒定不變的瞬時阻抗，就稱之為傳輸線的特性阻抗

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

如果沒有特殊說明，一般用特性阻抗來統(tǒng)稱傳輸線阻抗

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

*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)訊號沿著一條具有同樣橫截面的傳輸線移動時，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。這個信號是發(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，而且正好在信號波的前端，交流電流藉由上、下線路組成的電容，結(jié)束整個循環(huán)過程。

訊號傳遞時，會在傳輸線內(nèi)建立一個電場，而這訊號傳遞的速度取決于在訊號與回路周圍金屬材質(zhì)的電荷充放電與磁場生成速度。

對電池來說，當(dāng)信號沿著傳輸線傳播，并且每隔0.01ns對連續(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，傳輸線看起來像一個阻抗器，并且它的阻抗值恒定，這可稱為傳輸線路的浪涌阻抗(surge impedance)。同樣地，當(dāng)信號沿著線路傳播時，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)，這就涉及到瞬時阻的概念。

如果信號以穩(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)生相同的信號電壓。此時，信號著這條線前進(jìn)時，會遭遇同樣的瞬時阻抗，這被視為傳輸線的一種特性，被稱為特性阻抗。如果信號在傳遞過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。

瞬時阻抗或特性阻抗，對信號傳遞質(zhì)量而言非常重要。在傳遞過程中，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)，那會出現(xiàn)一些問題。為了達(dá)到最佳信號質(zhì)量，設(shè)計(jì)目標(biāo)是在信號傳遞過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)變得越來越重要。另外，其它的方法，如余線(stub)長度最短化、末端去除和整線使用，也用來保持信號傳遞中瞬時阻抗的穩(wěn)定。

四.傳輸線阻抗的計(jì)算

設(shè)計(jì)一個預(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)值仿真的場求解器。

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

對于50ohm微帶線：w=2h,對于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。