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1.傳輸線的定義及分類

傳輸線是一種由彼此平行的雙導(dǎo)體構(gòu)成的導(dǎo)行電磁波結(jié)構(gòu)，它的種類多種多樣，如下圖所示。對于傳輸線而言，傳輸線的物理長度與信號波長相差很大時，傳輸線負(fù)載端與源端相比，電流和電壓差異不大。但是隨著頻率的提高，傳輸線長度可與信號波長相比，由于一系列的反射，會使得傳輸線的終端電壓與電流發(fā)生變化。

根據(jù)傳輸線的幾何形狀，可以從兩個最基本的特征方面對傳輸線進(jìn)行分類，即導(dǎo)線橫截面的均勻程度以及兩導(dǎo)線之間的相似程度。

按照導(dǎo)線橫截面的均勻程度進(jìn)行分類，分為均勻傳輸線和非均勻傳輸線。類似于同軸電纜，其沿傳輸線方向上任意位置處的橫截面都保持一致的話，就叫做均勻傳輸線。均勻傳輸線上的瞬態(tài)阻抗處處相等，信號在傳遞的過程中就不會因前后阻抗不一致而產(chǎn)生反射現(xiàn)象，從而提高接收端的信號質(zhì)量。若在傳輸線路上的瞬態(tài)阻抗發(fā)生變化，此類傳輸線就被認(rèn)為是非均勻傳輸線。在信號完整性設(shè)計中，盡可能將互連線設(shè)計為均勻傳輸線，而且將其走線縮短到較小長度。

按照兩導(dǎo)線的相似程度進(jìn)行分類，分為平衡傳輸線和非平衡傳輸線。兩導(dǎo)線的幾何結(jié)構(gòu)完全對稱，例如雙絞線的幾何結(jié)構(gòu)對稱，那么它就是一種平衡傳輸線。比如同軸電纜和微帶線的幾何結(jié)構(gòu)不對稱，所以它們屬于非平衡傳輸線。對大多數(shù)的傳輸線而言，返回路徑的具體結(jié)構(gòu)對地彈和電磁干擾效應(yīng)有著很大的影響。

2.波形傳輸

在高頻中，當(dāng)信號的邊沿速度(上升或下降時間)相對于信號的傳送時間較小時，信號將受到傳輸線效應(yīng)的極大影響。電信號在傳輸線里傳輸就像水在切面為矩形的管子中流過一樣，這也就是常說的電波傳播。電波傳送和水波傳送有著類似之處，首先它們都具有波形，且都是時限傳播。其次，傳輸線里的電壓就像矩形水管里水的高度，而水流則就像是電流。下圖所示為表示傳輸線的常見方式。上面的線是信號路徑，而下面的線是電流的返回路徑。電壓Vi是輸入的初始電壓，而Vs和Zs指的是信號源或者激勵的輸出緩沖器的戴維南等效電路中的電壓源和內(nèi)阻。

3.傳輸線參數(shù)

為了分析高速數(shù)字系統(tǒng)的傳輸線效應(yīng)，必須定義傳輸線的電氣特性。傳輸線的基本電氣特性是它的特征阻抗和它的傳播速度。特征阻抗類似于水管的寬度，而傳播速度類似于水流過管子的速度。為了定義和導(dǎo)出這些術(shù)語就有必要分析傳輸線的基本特性。沿著傳輸線傳送的信號將會在信號路徑和回流路徑(通常被稱為地回路或地，甚至參考平面是電源層)之間產(chǎn)生一個電壓差。當(dāng)有電壓差的時候就會產(chǎn)生電場，而當(dāng)電信號流過傳輸線的時候又會產(chǎn)生磁場，這就形成了交織的電磁場。既然傳輸線具有電磁特性，那么我們就能構(gòu)建一個傳輸線模型了。下圖所示就是一個傳輸線方向向著紙內(nèi)的信號電流的電磁場的描述。

3.1傳輸線模型

在高速PCB設(shè)計的過程中，傳輸線模型可以將其模擬成由電容，電阻，電感組成的分布式系統(tǒng)，而整個傳輸線則是由無數(shù)的這樣的分布式系統(tǒng)的級聯(lián)組成。如下圖所示。

3.2特征阻抗

特征阻抗的值為信號的行波電壓和行波電流的比值而確定，通常我們用Z0表示，其特征阻抗公式為：

其中，R為每單位長度歐姆，L為每單位長度亨利，G為每單位長度西門子，C為每單位長度法拉，而w為每秒弧度。因為R和G都比其他項要小得多，所以通常特征阻抗近似為

。只有在甚高頻或有極大損耗的走線時，阻抗的R和G分量才變得重要。有損傳輸線必須使用更為復(fù)雜的特征阻抗(如含有虛部分量)公式。

為了得到最大的精確度，需要選用二維電磁場求解器來計算PCB走線阻抗。求解器將計算出單位長度的阻抗、傳播速度以及L和C分量。因為R和G通常對阻抗影響極微，所以能給出L和C的分量就足夠了。如果沒有電磁場求解器，則下圖所示的公式將提供典型傳輸線阻抗值的有效近似公式，它是走線的幾何結(jié)構(gòu)和相對介電常數(shù)εr的函數(shù)。

3.3傳播速度、傳播時間和傳播距離

傳輸線上的電信號的速度傳播與周圍介質(zhì)有關(guān)。傳播延遲通常用秒/米來度量，它是傳播速度的倒數(shù)。傳輸線的傳播延遲與周圍介質(zhì)的介電常數(shù)的平方根成正比。傳輸線的時間延遲僅指信號傳播過整個線長所用的時間總量。以下等式表示了相對介電常數(shù)、傳播速度、傳播延遲和時間延遲之間的關(guān)系：

必須注意上面的等式都是假設(shè)沒有磁性材料存在的。

傳輸線的延遲取決于絕緣材料的介電常數(shù)、線長和傳輸線剖面幾何結(jié)構(gòu)。剖面幾何結(jié)構(gòu)決定了電場是完整地包含在電路板內(nèi)還是散射到空中。由于典型的PCB板是用介電常數(shù)近似為4.5的FR4制造的，而空氣的介電常數(shù)是1.0，則最后得到的有效介電常數(shù)是兩者的加權(quán)平均。電場在FR4的數(shù)量和在空氣的數(shù)量決定了介電常數(shù)有效值。當(dāng)電場完全被包圍在板內(nèi)時(例如帶狀線)，其有效介電常數(shù)將大一些，因而信號將比外層走線傳播慢一些。當(dāng)信號走在板子的外層時(例如微帶線)，電場散射到絕緣材料和空氣中，具有較低的介電常數(shù)，因而信號將會比內(nèi)層的傳播更快。

微帶線的有效介電常數(shù)計算公式如下：

其中，εr是板材的介電常數(shù)，H是走線到參考平面的高度，W是走線寬度，而T是走線厚度。