一．基本概念

傳輸線是用以從一處至另一處傳輸高頻或微波能量的裝置，可定義為傳輸電流的有信號(hào)回流的信號(hào)線，由兩條一定長(zhǎng)度導(dǎo)線組成，一條是信號(hào)路徑，另一條是參考路徑/回流路徑。

信號(hào)從發(fā)射端產(chǎn)生，經(jīng)過(guò)信號(hào)路徑到達(dá)負(fù)載，再?gòu)呢?fù)載沿著參考路徑回到發(fā)射端，構(gòu)成一個(gè)回路。

傳統(tǒng)的信號(hào)傳播模型，被看作是一個(gè)集總參數(shù)模型，這個(gè)模型認(rèn)為傳輸電纜上各個(gè)位置的信號(hào)是相同的。

而在傳輸線中，信號(hào)的傳播模型是分布式參數(shù)模型，即傳輸電纜上各個(gè)位置的信號(hào)是不同的，下面是集總參數(shù)模型和分布式參數(shù)模型示意圖。

在PCB走線中，一般把一個(gè)完整的平面用于參考路徑，習(xí)慣稱(chēng)之為參考平面，對(duì)信號(hào)要求高的場(chǎng)合下，信號(hào)會(huì)有上下兩個(gè)參考平面，甚至左右也有伴隨地孔。

這些參考平面構(gòu)成良好的傳輸線模型，可以控制阻抗，避免反射，提高信號(hào)傳輸效率，同時(shí)也起到良好的屏蔽作用。

對(duì)傳輸線的基本要求是損耗小、傳輸功率大、工作頻帶寬、尺寸小。傳輸線可以用來(lái)構(gòu)成各種微波電路元件，例如諧振器、濾波器、阻抗匹配器、定向耦合器等。電路板上的走線、同軸電纜、雙絞線等有信號(hào)回流的信號(hào)傳輸路徑都可以看作傳輸線。

二．傳輸線電路模型

傳輸線是微波電路的基礎(chǔ)，實(shí)際上，只不過(guò)是考慮了寄生參數(shù)的交流電路。和直流不同，在高頻情況下，即使不考慮輻射，如下圖一段理想的導(dǎo)線，兩端的電流也不同，主要原因是兩線之間的寄生電容引起的充放電，從而引起電流的變化；同時(shí)介質(zhì)損耗引起的漏電流是另一個(gè)原因。

同理，即使是理想導(dǎo)體，兩端的電壓也不同，主要是線上寄生的串聯(lián)電感引起的充放電導(dǎo)致的；導(dǎo)體損耗也引起部分壓降。總之，壓降來(lái)自串聯(lián)部分的寄生參數(shù)，而電流變化來(lái)自?xún)蓪?dǎo)體間的并聯(lián)寄生參數(shù)。

對(duì)直流來(lái)說(shuō)，通常研究的是穩(wěn)態(tài)情況，瞬態(tài)的充放電不用考慮。而對(duì)于交流，因?yàn)殡娏鞅旧硎亲兓模矐B(tài)充放電對(duì)電流變化的影響就必須考慮；可以想見(jiàn)，頻率越高、電流變化越快，則瞬態(tài)的充放電影響就越大。

頻率更高時(shí)，不僅這種充放電的影響擴(kuò)大，信號(hào)本身的變化導(dǎo)致的輻射進(jìn)一步影響信號(hào)的變化，這種寄生的影響將更明顯。這就是把電分為直流、交流、微波電路和場(chǎng)的依據(jù)。如果再考慮導(dǎo)線的損耗電阻、以及導(dǎo)線之間的漏電流，就得到如圖的等效電路：

由電源向負(fù)載方向傳播的波稱(chēng)為入射波，由負(fù)載向電源方向傳播的波稱(chēng)為反射波。傳輸線上某個(gè)點(diǎn)的瞬時(shí)入射電壓與入射電流或者反射電壓與反射電流的比值為特性阻抗Z?，在無(wú)耗情況下，R=G=0，Z?為純電阻。

其中，R為導(dǎo)體損耗，G為介質(zhì)損耗。

特性阻抗，是衡量PCB上傳輸線的最重要指標(biāo)。PCB傳輸線的特性阻抗不是直流電阻，它屬于長(zhǎng)線傳輸中的概念。

和傳輸阻抗的概念并不一致：傳輸阻抗是某個(gè)端口上總的電壓和電流的比值。只有在整個(gè)傳輸路徑上阻抗完全匹配且沒(méi)有反射存在的情況下，特性阻抗才等于傳輸阻抗。

三．傳輸線的分類(lèi)

在電路板上，傳輸線一般分為兩種類(lèi)型，如下圖所示，左圖是帶狀線，右圖是微帶線。

微帶線的概念是只有一個(gè)參考平面的傳輸線，帶狀線是有兩個(gè)參考平面，而表層走線時(shí)只有第二層一個(gè)參考平面，滿(mǎn)足微帶線的概念；而內(nèi)層走線，由于層疊結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，信號(hào)線可以有上下兩個(gè)參考平面，滿(mǎn)足帶狀線的概念。

在電路板上，走線的傳輸線的電氣特性取決于走線的物理結(jié)構(gòu)，例如線寬、疊層、離參考平面距離、材料的介電常數(shù)、導(dǎo)體電導(dǎo)率、導(dǎo)體平面光滑度等。二維場(chǎng)模型經(jīng)常用RLGC電路和特性阻抗表示。

也就是說(shuō)如果走線的物理結(jié)構(gòu)定了，那么走線的RLGC、特性阻抗和傳播速度就已經(jīng)決定了。信號(hào)完整性要研究的是在這樣的傳輸線模型參數(shù)下所傳播的電氣信號(hào)的表現(xiàn)。

微帶線的電場(chǎng)穿透兩種不同的電介質(zhì)，相對(duì)較難控制阻抗。空氣的介電常數(shù)較PCB低，所以整體微帶線的等效介電常數(shù)較低(約為2-3)，信號(hào)在微帶線上的傳輸速率較快。因?yàn)槲Ь€分布在PCB的表面，所以可以節(jié)省層數(shù)進(jìn)行高密度布線，但是較容易受到干擾。

帶狀線是指處于PCB板內(nèi)層的線路。帶狀線的電場(chǎng)只在PCB的范圍內(nèi)，相對(duì)較易控制阻抗。帶狀線周?chē)橘|(zhì)的介電常數(shù)較高(約為4.4)，信號(hào)傳輸速度相對(duì)較慢，因?yàn)樵赑CB的里面，所以不容易受干擾。

現(xiàn)在做信號(hào)完整性分析的工具都可以根據(jù)填入的物理結(jié)構(gòu)去計(jì)算特性阻抗的功能。我們需要了解的是這些參數(shù)對(duì)特性阻抗影響的趨勢(shì)，以便在進(jìn)行阻抗控制時(shí)知道怎樣調(diào)整這些參數(shù)。

微帶線或帶狀線都有如下特征：阻抗與走線寬度和走線厚度呈反函數(shù)關(guān)系；阻抗與疊層板高度呈正函數(shù)關(guān)系；阻抗與疊層板的介電常數(shù)呈反函數(shù)關(guān)系。所以研發(fā)設(shè)計(jì)PCB或工廠生產(chǎn)PCB時(shí)通過(guò)控制走線的寬度、厚度、疊層高度，以及使用不同的PCB板材，就可以控制PCB傳輸線的特性阻抗。