PCB走线中的传输线相关知识讲解（下）

元件

　　01
　　阻抗
　　（1）传输线等效模型：均匀传输线可以等效为一段段集总元件RLGC的组合。因为R和G可以忽略，最终可以简化为一段段LC电路，如图1所示。

　　图1 传输线等效模型
　　（2）特性阻抗：信号在传输过程中每达到一个点，该处信号线和参考平面就会形成电场，进而产生瞬间的小电流，这样在信号传输的过程中，传输线的每一点都会等效成一个电阻，这就是传输线的特性阻抗。
　　

　　（3）阻抗在实际应用中最直接的影响就是反射。阻抗连续则信号质量较好，阻抗不连续则会造成信号反射，带来振荡等一系列信号质量问题，如图3、4 阻抗不匹配造成反射问题仿真。

　　图2、3 ADS仿真：阻抗不匹配造成信号反射
　　（4）实际工程中，IC出线区、过孔等都会造成阻抗不连续。但阻抗不连续造成的反射对信号的影响并非全部不可接受，主要取决于不连续区域的走线长度和信号频率。一般，不连续区域的传输延时小于0.2倍的上升时间，则阻抗不连续造成的影响较小（和高速信号定义类似）。如图5、6不同长度阻抗不连续走线造成的反射影响的仿真。

　　图4、5 ADS仿真：不同长度阻抗不连续走线造成的反射影响
　　02
　　损耗
　　（1）理想传输线并不存在，所有信号在传输过程中都会存在损耗。
　　常见传输线损耗有：导体损耗和介质损耗，低频下损耗主要为导体损耗，高频主要为介质损耗。
　　（2）导体损耗：通常表现在趋肤效应和表面粗糙度带来的阻性损耗。
　　a、可以使用反转铜和压延铜来降低表面粗糙度。
　　b、趋肤效应：随着频率的提高，交变电流集中在导体表面；而临近效应会进一步恶化趋肤效应带来的影响。

　　图6 铜表面粗糙度

　　图7 铜材质下不同频率的趋肤深度
　　（3）介质损耗：通常表现在漏电流和偶极子重取向带来的损耗。
　　a、漏电流：非理想电介质的带电粒子运动产生的电流；
　　b、偶极子重取向：在电场作用下，偶极子将沿着电场方向重排列，运动的过程中就像短暂的电流流过介质（也可以理解为克服分子热运动做功），因此造成损耗；
　　c、损耗角正切（Df）：FR4板材通常为0.022，高频板材可以降低一个数量级。

　　图8 偶极子重取向示意图
　　（4）介质损耗更容易损耗掉高频分量的能量。可以采用均衡与预加重来补偿信号损失。传输路径越长，损耗越严重。如下图所示。

　　图9、10 ADS仿真：不同板材和走线长度的损耗对比
　　（5）微带线与带状线的损耗对比：理论上微带线由于一侧为空气，一侧介质，因此部分磁场分散在空气中，能带来更小的损耗与更快的传播速度。但由于实际中，PCB生产时微带线会覆盖绿油，而绿油的损耗比介质更大，因此在使用高速板材的情况下，微带线的损耗反而大于带状线。

　　图11、12 ADS仿真：不同板材，有无绿油情况下微带线和带状线的损耗

原作者：奔跑的蜗牛工程师说硬件

jf_23333597 · 2023-3-9 14:00:24

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