11.1 傳輸線的定義

傳輸線是一種新的理想電路元件。它與前面介紹過的電阻器、電容器和電感器這3種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征：特性阻抗和時延。信號與傳輸線的相互作用比較特別，它和其他3種理想電路元件與信號的相互作用截然不同。

在有些情況下，也可以由C和L的組合去近似理想傳輸線的電氣特性。但是，理想傳輸線的性能與實際測量到的互連性能非常吻合。而且，它的帶寬要比LC近似電路高得多。如果將理想傳輸線這個電路元件添加到工具箱中，就能明顯增強我們描述信號與互連相互作用的能力。

傳輸線由任意兩條有一定長度的導線組成。其中一條標記為信號路徑，另一條標記為返回路徑。同軸電纜是一種傳輸線，多層板中的PCB線條也是一種傳輸線。

11.2 返回路徑

一般而言，接地一詞預留給了電路中其電位比任何其他節點都更低的那部分導體。測量的只是電位差。當選擇地節點作為參考點時，電路中的其他節點都處于較高的電平。

通常，傳輸線中的另一條線被稱為地線。將第二條線當成地，所引出的問題要比解決的問題多得多。相反，使用返回路徑這一術語是一個良好的習慣。在信號完整性的設計過程中，引起麻煩的一種常見原因就是濫用“地”這個詞。我們應該習慣地把其他導體看成返回路徑，這是非常有益的。

當把另一條路徑當成地時，我們通常會把它看成公共的電流低洼處。返回電流流入這里，又從這里流向其他接地處。這是一種完全錯誤的觀點。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要最小化，這就意味著只要導體的情況允許，返回路徑會盡量靠近信號路徑分布。

再者，返回電流并沒有指定返回導體上的絕對電壓值。實際的返回導體可能是個電壓平面，如Vcc或Vpp平面；而有時又是一個低電壓平面。過去的原理圖設計中，人們將它標記為地節點，與以傳輸線形式傳播的信號完全無關。所以將其稱為返回路徑，將來就會免除很多麻煩。

電流總是在回路中流動的。如果一些電流流向別處，那么它一定會返回到源端。

一旦信號輸入傳輸線，信號就以波的形式，以光速沿線向下傳播，而電流就在信號路徑、線電容和返回路徑組成的回路中流動。

由于趨膚效應，信號電流只分布在導體的表面；第二，返回路徑中的電流分布擠近信號路徑下面，而且正弦波頻率越高，電流分布越擠近。

當頻率增加時，返回路徑上的電流選擇阻抗最低的路徑。這種情況等價于選擇回路電感最低的路徑，即返回電流必將盡量靠近信號電流。頻率越高，返回電流直接在信號電流下面流動的這種趨勢就越明顯。即使在10 MHz時，回路的電流也是高度擠近的。

通常在頻率高于100kHz時，絕大部分返回電流直接在信號路徑下面流動。無論信號路徑是彎曲的還是拐直角彎的，平面上的返回電流都會跟隨它。因為采用這種回路，信號路徑與返回路徑之間的回路電感就會保持最小。

任何妨礙返回電流靠近信號電流的因素，例如返回路徑上有一個間隙，都會增加回路電感，并增加信號受到的瞬時阻抗，這將引起信號的失真。

11.3 信號

當信號沿傳輸線傳輸時，需要同時用到信號路徑和返回路徑。所以，在確定信號與互連之間的相互作用時，兩條導線是同等重要的。

當兩條線一樣時，如雙絞線，信號路徑與返回路徑沒有嚴格的區分，即可以指定任意一條為信號路徑，而另一條為返回路徑。如果兩條導線不相同，如微帶線，則通常把較窄的那條稱為信號路徑，而把平面稱為返回路徑。

把信號接入傳輸線時，它就以材料中的光速在導線中傳輸。在信號加入傳輸線一段時間之后，可以暫時把時間停滯下來，并沿著傳輸線測量信號的大小。信號總是指信號路徑和返回路徑之間相鄰兩點的電壓差，如上圖所示。

如果知道信號感受到的阻抗，根據信號電壓大小就能計算出電流。從這個意義上講，信號可以被定義成電壓或電流。

重要的是，應該區分并關注信號線上的電壓及傳播中的信號。傳播中的信號就是電壓沿傳輸線行進中的動態模式。

當信號走過傳輸線上的一個點時，示波器探頭測得的信號電壓就是其幅度值。但是，如果傳輸線上有多個信號朝著不同的方向傳播，這時的示波器探頭就無法將其區分開。所測得的電壓與傳播的信號不再相同。

11.4 均勻傳輸線

可以按傳輸線的幾何結構對傳輸線加以分類。幾何結構中有兩個基本特征完全決定了傳輸線的電氣特性：導線沿線橫截面的均勻程度，兩條導線的相似度和對稱程度。

如果導線上任意一處的橫截面都相同，比如同軸電纜，則稱這種傳輸線為 均勻傳輸線 。下圖給出了幾種均勻傳輸線的示例。

我們知道，均勻傳輸線也稱為 可控阻抗傳輸線 。傳輸線的種類很多，如雙絞線、微帶線、帶狀線和共面線等。

如果傳輸線是均勻的或阻抗可控的，反射就會減小，信號的質量也就會更優。所有的高速互連都必須設計成均勻傳輸線。

在整條導線中，如果幾何結構或材料屬性發生變化，傳輸線就是不均勻的。例如，如果兩條導線的間距是變化的，而不是恒定的，它就是非均勻傳輸線。連接器的相鄰線條通常是非均勻傳輸線，印制電路板上的線條如果沒有返回路徑平面，則很可能也是非均勻傳輸線。非均勻傳輸線除非線條走線足夠短，否則就會引起信號完整性問題，所以應該避免這種情況的發生。

在信號完整性的優化設計過程中，其中一個設計目標是：將所有互連都設計成均勻傳輸線，并減小所有非均勻傳輸線的長度。

影響傳輸線的另一個幾何參數就是兩條導線的相似程度。如果兩條導線的形狀和大小都一樣，即它們是對稱的，就稱這種傳輸線為 平衡傳輸線 。雙絞線的每條導線看起來都是一樣的，因此它是對稱的，所以是一種平衡傳輸線。共面線是在同一層并列的兩條窄帶線，它也是一種平衡傳輸線。

同軸電纜是非平衡傳輸線，因為它的中心導線要比外面的導線細。微帶線也是一種非平衡傳輸線，因為兩條導線的寬度不一樣，其中一條比較窄，另一條比較寬。同理，帶狀線也是非平衡傳輸線。

一般而言，絕大多數傳輸線，無論是平衡的還是非平衡的，它們對信號的質量和串擾效應都不會造成什么影響。然而，返回路徑的具體結構將嚴重影響地彈和電磁干擾問題。

無論傳輸線是均勻的還是非均勻的，是平衡的還是非平衡的，它都只有一個作用：在可接受的失真度下，把信號從一端傳輸到另一端。

11.5 傳輸線上信號的速度

導線周圍的材料、信號在傳輸線導體周圍空間形成交變電場和磁場的建立速度和傳播速度，決定了信號的傳播速度。

如上圖所示，信號就是信號路徑與返回路徑之間的電壓差。當信號在傳輸線上傳播時，兩條導線之間就會產生電壓差，而這個電壓差又使兩條導線之間產生電場。

除了電壓，電流也必然在信號導體和返回導體中流動。這樣，兩條導線帶上了電荷，產生了電壓差，進而建立了電場，流過導體的電流回路產生了磁場。

簡單地把電池兩端分別接到信號路徑和返回路徑上，就能把信號加到傳輸線上。突變的電壓產生突變的電場和磁場。這種場鏈在傳輸線周圍的介質材料中，以變化電磁場的速度(即材料光速)傳播。

實際上，電場和磁場建立的快慢決定了信號的速度。或者說，只要電場和磁場在變化，它們形成的場鏈就向外傳播，其速度取決于一些常數和材料特性。

電磁場變化(或場鏈)的速度v由下式得到：

其中，ε_0表示自由空間的介電常數(為8.89×10^?12F/m)，ε_r表示材料的相對介電常數，μ_0表示自由空間的磁導率(4π×10^?7H/m)，μ_r表示材料的相對磁導率。

空氣中的相對介電常數和相對磁導率都為1，光的速度約為12 in/ns。實際上，幾乎所有互連材料的相對磁導率μ_r都為1。所有不含鐵磁體材料的聚合物其磁導率都為1。

相比之下，除了空氣，其他材料的介電常數ε_r總是大于1。所有實際互連材料的介電常數都大于1，這說明互連中的光速總是小于12 in/ns，其速度為 v=12/√ε_r in/ns 。

絕大多數互連中的光速約為 (12 in/ns)/√4=6 in/ns 。當估算電路板互連中的信號的速度時，就可以假定它約為6 in/ns。

時延T_D與互連長度的關系：T_D=Len/v 。其中，Len表示互連長度(單位為in)，v表示信號的速度(單位為in/ns)。

這說明，當信號在FR4上長為6 in的互連中傳輸時，時延約為6 in/(6 in/ns)，即約為1ns。如果傳輸長度為12 in，則時延為2 ns。

線延遲 ，即每in長度互連時延的ps數，也是一個非常有用的度量單位。它就是速度的倒數1/v。對于FR4，其線延遲約為1/6 in/ns=0.166 ns/in，或者170 ps/in。