淺談阻抗匹配（二）傳輸線物理基礎(chǔ)知識簡析

傳輸線匹配前提：開始考慮傳輸線效應(yīng)，此時基爾霍夫電壓定律和基爾霍夫電流定律失效。

一：傳輸線物理基礎(chǔ)

1.傳輸線定義

傳輸線是以中 新的理想電路元件 ，由任意兩條具有一定長度的導(dǎo)線組成。其中一條標(biāo)記為信號路徑，另一條標(biāo)記為返回路徑。

與理想電路元件的特性大不相同。傳輸線有兩個非常重要的特性： 特性阻抗和時延。 有些情況下可以由LC的組合去近似理想傳輸線的特性，而且它的帶寬要比LC近似電路高得多。

首先忘記“接地”這個詞語，采用 返回路徑 。信號傳輸?shù)倪^程中，返回電流是緊靠著信號電流的，高頻時，信號路徑和返回路徑的 回路電感最小化 。

2.傳輸線中的信號

當(dāng)信號接入傳輸線時，它就以材料中的光速在導(dǎo)線中傳輸，需要同時用到信號路徑和返回路徑。

信號總是指信號路徑和返回路徑之間相鄰兩點(diǎn)的電壓差，如果知道信號感受到的阻抗，根據(jù)信號電壓大小就能計(jì)算出電流。從這個意義上講，信號可以被定義為電壓或電流。

3.傳輸線種類

均勻傳輸線 ：如果導(dǎo)線上任一處的橫截面都相同，比如同軸電纜，則這種傳輸線為均勻傳輸線。像雙絞線、微帶線、帶狀線、共面線等。均勻傳輸線也被稱為可控阻抗線。

平衡傳輸線 ：如果兩條導(dǎo)線的形狀和大小都一樣，即他們是對稱的，就稱這種傳輸線為平衡傳輸線，如雙絞線，共面差分線。

如果傳輸線是均勻的或阻抗可控的，那么反射就會減小，信號的質(zhì)量就會更優(yōu)，因此所有的高速互聯(lián)都必須設(shè)計(jì)成均勻傳輸線，并減小所有非均勻傳輸線的長度。

一般而言，絕大多數(shù)傳輸線，無論是平衡的還是非平衡的，它們對信號的質(zhì)量和串?dāng)_都不會造成什么影響。然而，返回路徑的具體結(jié)構(gòu)將嚴(yán)重影響地彈和電磁干擾。

4.銅中電子的速度

導(dǎo)線中的電流為：

即電子速度為：

對于直徑1mm的導(dǎo)線，橫截面積

帶入數(shù)據(jù)，并在導(dǎo)線上通過1A的電流，就可以估算出導(dǎo)線中電子速度約為：

是的，這相當(dāng)于螞蟻在地上爬的速度。

5.傳輸線上信號的速度

是什么決定了信號的傳播速度呢？

信號就是信號路徑與返回路徑之間的電壓差。當(dāng)信號在傳輸線上傳播時，兩條導(dǎo)線之間就會產(chǎn)生電壓差，而這個電壓差又使兩條導(dǎo)線之間產(chǎn)生電場。同時，流過導(dǎo)體的電流回路產(chǎn)生了磁場。即在傳輸線周圍的介質(zhì)材料中以的變化電磁場的速度傳播。

導(dǎo)線周圍的材料、信號在傳輸線導(dǎo)體周圍空間形成交變電磁場的建立速度和傳播速度，決定了信號的傳播速度。信號速度以介質(zhì)中光速傳播。

** 電磁場變化（或場鏈）的速度v由下式得到：**

表示自由空間的介電常數(shù)

表示自由空間的磁導(dǎo)率

表示自由空間的介電常數(shù),表示自由空間的磁導(dǎo)率

空氣中的相對介電常數(shù)和相對磁導(dǎo)率都為1，光的速度約為12in/ns。實(shí)際上幾乎所有互聯(lián)材料的相對磁導(dǎo)率都為1，除了空氣其他材料的介電常數(shù)都大于1。

說明互聯(lián)中的光速總是小于12in/ns，其速度為：

在大多數(shù)常見的材料中，F(xiàn)R4的介電常數(shù)在3.5和4.5之間變化，這給了我們一個簡單的經(jīng)驗(yàn)法則：絕大多數(shù)互聯(lián)中的光速（信號速度）約為（12in/ns）/=6in/ns。

6.信號時延

線延遲 ，它就是速度的倒數(shù)1/v.

** 時延 **TD=Len/v
TD表示時延（單位ns），Len表示互聯(lián)長度（單位in)，v表示信號的速度（單位in/ns）

傳輸線的時延與單位長度電容及單位長度電感直接相關(guān)。

7.瞬時阻抗

這里有一個非常有意思的思想實(shí)驗(yàn)，可以有助于理解瞬時阻抗及后續(xù)特征阻抗的提出。

我們把信號在每一步受到的阻抗稱為傳輸線的瞬時阻抗。瞬時阻抗的值等于線上所加電壓與電流之比，這個電流用于傳輸線的充電和信號向下一步的傳播。

瞬時阻抗取決于信號的速度（它是一個材料特性）和單位長度的電容。

8.特征阻抗

特征阻抗：反應(yīng)均勻傳輸線特性的恒定瞬時阻抗。

對于均勻傳輸線，當(dāng)信號在上面?zhèn)鞑r，在任何一處受到的瞬時阻抗都是相同的。

給定階躍電壓U，則在導(dǎo)線上會同時產(chǎn)生輸出電流和回流電流I。

類似電阻定義，有Z0=U/I，即特征阻抗。

9.常見的特征阻抗

具體的阻抗計(jì)算注意事項(xiàng)及要點(diǎn)可以參考之前文章《淺談阻抗計(jì)算要點(diǎn)》

10.傳輸線的阻抗

信號源在傳輸線前端看過去的阻抗，也就是 “輸入”阻抗 ，從傳輸線一端看過去的輸入阻抗是隨時間變化的，在信號往返時間之內(nèi)，測得的輸入阻抗就是特征阻抗。如果等待時間足夠長，測得的輸入阻抗將會是開路。對于相同的傳輸線，根據(jù)末端的連接情況、傳輸線的長度和測量方法的不同，它可以是短路，可以是開路，也可以是開路與短路之間的任意值。

我們已經(jīng)引入了 瞬時阻抗、特征阻抗、傳輸線的阻抗 。有時候信號完整性的研究人員會比較懶，在工作中僅使用阻抗一詞，但它們之間有很大區(qū)別，所以我們必須詢問阻抗的限定詞是哪一個，或者根據(jù)上下文查看它指的是三個阻抗中的哪一個。