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回流的信號線，由兩條一定長度導線組成，一條是信號路徑，另一條是參考路徑/回流路徑。

信號從發(fā)射端產(chǎn)生，經(jīng)過信號路徑到達負載，再從負載沿著參考路徑回到發(fā)射端，構成一個回路。

傳統(tǒng)的信號傳播模型，被看作是一個集總參數(shù)模型，這個模型認為傳輸電纜上各個位置的信號是相同的。

而在傳輸線中，信號的傳播模型是分布式參數(shù)模型，即傳輸電纜上各個位置的信號是不同的，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，一般把一個完整的平面用于參考路徑，習慣稱之為參考平面，對信號要求高的場合下，信號會有上下兩個參考平面，甚至左右也有伴隨地孔。

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

對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。傳輸線可以用來構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、雙絞線等有信號回流的信號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，實際上，只不過是考慮了寄生參數(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；同時介質(zhì)損耗引起的漏電流是另一個原因。

同理，即使是理想導體，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致的；導體損耗也引起部分壓降。總之，壓降來自串聯(lián)部分的寄生參數(shù)，而電流變化來自兩導體間的并聯(lián)寄生參數(shù)。

對直流來說，通常研究的是穩(wěn)態(tài)情況，瞬態(tài)的充放電不用考慮。而對于交流，因為電流本身是變化的，瞬態(tài)充放電對電流變化的影響就必須考慮；可以想見，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，不僅這種充放電的影響擴大，信號本身的變化導致的輻射進一步影響信號的變化，這種寄生的影響將更明顯。這就是把電分為直流、交流、微波電路和場的依據(jù)。如果再考慮導線的損耗電阻、以及導線之間的漏電流，就得到如圖的等效電路：

由電源向負載方向傳播的波稱為入射波，由負載向電源方向傳播的波稱為反射波。傳輸線上某個點的瞬時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?，在無耗情況下，R=G=0，Z?為純電阻。

其中，R為導體損耗，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。PCB傳輸線的特性阻抗不是直流電阻，它屬于長線傳輸中的概念。

和傳輸阻抗的概念并不一致：傳輸阻抗是某個端口上總的電壓和電流的比值。只有在整個傳輸路徑上阻抗完全匹配且沒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

在電路板上，傳輸線一般分為兩種類型，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參考平面的傳輸線，帶狀線是有兩個參考平面，而表層走線時只有第二層一個參考平面，滿足微帶線的概念；而內(nèi)層走線，由于層疊結構特點，信號線可以有上下兩個參考平面，滿足帶狀線的概念。

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構，例如線寬、疊層、離參考平面距離、材料的介電常數(shù)、導體電導率、導體平面光滑度等。二維場模型經(jīng)常用RLGC電路和特性阻抗表示。

也就是說如果走線的物理結構定了，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的表現(xiàn)。

微帶線的電場穿透兩種不同的電介質(zhì)，相對較難控制阻抗?？諝獾慕殡姵?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)，信號在微帶線上的傳輸速率較快。因為微帶線分布在PCB的表面，所以可以節(jié)省層數(shù)進行高密度布線，但是較容易受到干擾。

帶狀線是指處于PCB板內(nèi)層的線路。帶狀線的電場只在PCB的范圍內(nèi)，相對較易控制阻抗。帶狀線周圍介質(zhì)的介電常數(shù)較高(約為4.4)，信號傳輸速度相對較慢，因為在PCB的里面，所以不容易受干擾。

現(xiàn)在做信號完整性分析的工具都可以根據(jù)填入的物理結構去計算特性阻抗的功能。我們需要了解的是這些參數(shù)對特性阻抗影響的趨勢，以便在進行阻抗控制時知道怎樣調(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)關系；阻抗與疊層板高度呈正函數(shù)關系；阻抗與疊層板的介電常數(shù)呈反函數(shù)關系。所以研發(fā)設計PCB或工廠生產(chǎn)PCB時通過控制走線的寬度、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。