浅谈阻抗匹配（二）传输线物理基础知识简析

传输线匹配前提：开始考虑传输线效应，此时基尔霍夫电压定律和基尔霍夫电流定律失效。

一：传输线物理基础

1.传输线定义

传输线是以中 新的理想电路元件 ，由任意两条具有一定长度的导线组成。其中一条标记为信号路径，另一条标记为返回路径。

与理想电路元件的特性大不相同。传输线有两个非常重要的特性： 特性阻抗和时延。 有些情况下可以由LC的组合去近似理想传输线的特性，而且它的带宽要比LC近似电路高得多。

首先忘记“接地”这个词语，采用 返回路径 。信号传输的过程中，返回电流是紧靠着信号电流的，高频时，信号路径和返回路径的 回路电感最小化 。

2.传输线中的信号

当信号接入传输线时，它就以材料中的光速在导线中传输，需要同时用到信号路径和返回路径。

信号总是指信号路径和返回路径之间相邻两点的电压差，如果知道信号感受到的阻抗，根据信号电压大小就能计算出电流。从这个意义上讲，信号可以被定义为电压或电流。

3.传输线种类

均匀传输线 ：如果导线上任一处的横截面都相同，比如同轴电缆，则这种传输线为均匀传输线。像双绞线、微带线、带状线、共面线等。均匀传输线也被称为可控阻抗线。

平衡传输线 ：如果两条导线的形状和大小都一样，即他们是对称的，就称这种传输线为平衡传输线，如双绞线，共面差分线。

如果传输线是均匀的或阻抗可控的，那么反射就会减小，信号的质量就会更优，因此所有的高速互联都必须设计成均匀传输线，并减小所有非均匀传输线的长度。

一般而言，绝大多数传输线，无论是平衡的还是非平衡的，它们对信号的质量和串扰都不会造成什么影响。然而，返回路径的具体结构将严重影响地弹和电磁干扰。

4.铜中电子的速度

导线中的电流为：

即电子速度为：

对于直径1mm的导线，横截面积

带入数据，并在导线上通过1A的电流，就可以估算出导线中电子速度约为：

是的，这相当于蚂蚁在地上爬的速度。

5.传输线上信号的速度

是什么决定了信号的传播速度呢？

信号就是信号路径与返回路径之间的电压差。当信号在传输线上传播时，两条导线之间就会产生电压差，而这个电压差又使两条导线之间产生电场。同时，流过导体的电流回路产生了磁场。即在传输线周围的介质材料中以的变化电磁场的速度传播。

导线周围的材料、信号在传输线导体周围空间形成交变电磁场的建立速度和传播速度，决定了信号的传播速度。信号速度以介质中光速传播。

** 电磁场变化（或场链）的速度v由下式得到：**

表示自由空间的介电常数

表示自由空间的磁导率

表示自由空间的介电常数,表示自由空间的磁导率

空气中的相对介电常数和相对磁导率都为1，光的速度约为12in/ns。实际上几乎所有互联材料的相对磁导率都为1，除了空气其他材料的介电常数都大于1。

说明互联中的光速总是小于12in/ns，其速度为：

在大多数常见的材料中，FR4的介电常数在3.5和4.5之间变化，这给了我们一个简单的经验法则：绝大多数互联中的光速（信号速度）约为（12in/ns）/=6in/ns。

6.信号时延

线延迟 ，它就是速度的倒数1/v.

** 时延 **TD=Len/v
TD表示时延（单位ns），Len表示互联长度（单位in)，v表示信号的速度（单位in/ns）

传输线的时延与单位长度电容及单位长度电感直接相关。

7.瞬时阻抗

这里有一个非常有意思的思想实验，可以有助于理解瞬时阻抗及后续特征阻抗的提出。

我们把信号在每一步受到的阻抗称为传输线的瞬时阻抗。瞬时阻抗的值等于线上所加电压与电流之比，这个电流用于传输线的充电和信号向下一步的传播。

瞬时阻抗取决于信号的速度（它是一个材料特性）和单位长度的电容。

8.特征阻抗

特征阻抗：反应均匀传输线特性的恒定瞬时阻抗。

对于均匀传输线，当信号在上面传播时，在任何一处受到的瞬时阻抗都是相同的。

给定阶跃电压U，则在导线上会同时产生输出电流和回流电流I。

类似电阻定义，有Z0=U/I，即特征阻抗。

9.常见的特征阻抗

具体的阻抗计算注意事项及要点可以参考之前文章《浅谈阻抗计算要点》

10.传输线的阻抗

信号源在传输线前端看过去的阻抗，也就是 “输入”阻抗 ，从传输线一端看过去的输入阻抗是随时间变化的，在信号往返时间之内，测得的输入阻抗就是特征阻抗。如果等待时间足够长，测得的输入阻抗将会是开路。对于相同的传输线，根据末端的连接情况、传输线的长度和测量方法的不同，它可以是短路，可以是开路，也可以是开路与短路之间的任意值。

我们已经引入了 瞬时阻抗、特征阻抗、传输线的阻抗 。有时候信号完整性的研究人员会比较懒，在工作中仅使用阻抗一词，但它们之间有很大区别，所以我们必须询问阻抗的限定词是哪一个，或者根据上下文查看它指的是三个阻抗中的哪一个。