传输线的类型有哪些？PCB上什么样的线才是传输线？

PCB 传输线是一种互连类型，用于将信号从其发射器传输到印刷电路板上的接收器。PCB 传输线由两个导体组成：信号走线和返回路径（通常是接地层）。两个导体之间的体积由 PCB 介电材料组成。

在传输线上运行的交流电通常具有足够高的频率以显示其波传播特性。电信号在传输线上的波传播的关键方面是，线路沿其长度的每个点都具有阻抗，如果沿长度的线路几何形状相同，则线路阻抗是均匀的。我们称这样的线为受控阻抗线。不均匀的阻抗会导致信号反射和失真。这意味着在高频下，传输线需要具有受控阻抗来预测信号的行为。阅读我们的帖子：为什么受控阻抗真的很重要？

重要的是不要忽视传输线效应，以避免信号反射、串扰、电磁噪声和其他可能严重影响信号质量并导致错误的问题。

传输线的类型有哪些？

PCB中通常使用两种基本类型的信号传输线互连：微带线和带状线。还有第三种类型——没有参考平面的共面，但它在使用中并不常见。

微带传输线由位于 PCB 外层并平行于为信号提供返回路径的导电接地平面的单一均匀迹线（用于信号）组成。走线和地平面由一定高度的 PCB 电介质隔开。下面是一个未涂层的微带线：

带状线由位于 PCB 内层的统一走线（用于信号）组成。走线在每一侧由平行的 PCB 介电层和导电平面隔开。所以它有两条返回路径——参考平面 1 和参考平面 2。

除了上述传统的微带线和带状线之外，共面波导结构在 PCB 的同一层上具有信号迹线和返回路径导体。信号走线位于中心，被两个相邻的外地平面包围；之所以称为“共面”，是因为这三个平面结构在同一平面上。PCB 电介质位于下方。微带线和带状线都可以具有共面结构。下面是一个带有地平面的共平面微带波导：

同轴电缆示例（不是 PCB 传输线）：

同轴线呈圆形，不是PCB传输线。这种圆形电缆由用于信号的中心导线和用于返回路径的外部圆形导线组成。两个导体之间的空间由介电材料填充。外导体线完全包围信号线。同轴电缆主要用作高频应用的电缆，例如电视等。同轴电缆必须具有均匀的导体几何形状，并且介电材料的特性必须沿着整个几何形状均匀。

务必记住，PCB 传输线不仅由信号走线组成，还包括返回路径，通常是相邻的接地层或共面导体，或两者的组合。

何时将互连视为传输线？

用于在信号源和目的地之间连接信号的一组电导体（如上所述，至少需要两根导体：一根用于信号，另一根用于返回路径，通常是接地层）称为传输线（而不仅仅是互连），如果与较高频率四分之一波长的时间段相比，无法忽略信号从源传输到目的地所需的时间信号中的分量。

传输线的两个非常重要的特性是其特性阻抗和单位长度的传播延迟；如果阻抗在其整个长度上没有得到控制，或者线路没有以正确的阻抗值终止，就会发生信号反射、串扰、电磁噪声等，并且信号质量的下降可能严重到造成错误在信息传输和接收中。阅读我们关于了解 PCB 中信号完整性的文章。

当信号频率（对于模拟信号）或数据传输速率（对于数字信号）较低（低于 50 MHz 或 20 Mbps）时，信号从其源传输到其所需的时间与四分之一波长的时间段或数字脉冲信号的最快上升时间相比，PCB 上的目标将非常小 (< 10%)。

在这种情况下，可以通过假设目的地的信号同时跟随其源的信号来近似互连。在这种低速场景下，PCB 信号可以通过传统的网络分析技术进行分析，我们可以忽略任何信号传播时间或传输线反射等。

但是，在处理更高频率或更高数据传输速率的信号时，与四分之一波长的时间段或最快脉冲上升时间相比，信号在源和目的地之间的 PCB 导体上的传播时间不可忽视. 因此，不可能使用普通的网络分析技术来分析PCB互连上此类高速信号的行为。需要将互连视为传输线并进行相应分析。

如何预测微带线和带状线上的信号行为？

在高频下，传输线需要具有受控阻抗来预测信号的行为并避免信号反射、串扰、电磁噪声等，这些可能会损害信号质量并导致错误。阅读我们关于使用 Altium 控制阻抗走线的文章。

这就是为什么您需要知道信号在传输线上传播的速度以及传播所需的时间的原因。我们将为您提供一些公式来计算带状线和微带线的信号速度和传播延迟。

什么是信号速度？

让我们首先讨论信号在 PCB 互连上传播的速度。

电磁信号在真空或空气中以与光速相同的速度传播，即：

信号在 PCB 传输线上以较慢的速度传输，受 PCB 材料的介电常数 (Er) 影响。PCB上信号速度的计算关系如下：

其中：

Vc 是真空或空气中的光速
Er 是PCB 材料
的介电常数 Ereff 是微带线的有效介电常数；它的值介于 1 和 Er 之间，大致由下式给出：

因此，PCB 上的信号速度低于空气中的速度。如果 Er ≈ 4（如 FR4 材料类型），则带状线上的信号速度是空气中的一半，即大约 6 in/ns。

以后，我们可以使用 Vp 来表示 PCB 上的信号速度。

什么是传播延迟？

传播延迟是信号在传输线的单位长度上传播所用的时间：

其中：
V 是传输线中的信号速度

在真空或空气中，它等于 85 皮秒/英寸 (ps/in)。

在 PCB 传输线上，传播延迟由下式给出：

PCB传输线用什么材料？

使用最多的材料是 Isola 370HR、Isola I-Speed、Isola I-Meta、Isola Astra MT77、Tachyon 100G、Rogers 3003 和 Rogers 4000 系列。

下表给出了一些 PCB 材料的信号速度和传播延迟：

什么是传输线效应？

让我们讨论临界长度、受控阻抗和上升/下降时间。

正如我们上面提到的，对于高速或高频信号，我们需要考虑传输线效应。我们可以使用一些拇指规则：

在高频模拟信号的情况下，让信号中的最大频率含量 =

如何定义临界长度？

对于模拟信号，临界长度lc定义为信号中包含的最高信号频率波长的四分之一。

对于数字信号，信号脉冲的最快上升/下降时间是最重要的参数。它定义了从一个逻辑电平到另一个逻辑电平的转换时间。基本上是数据位的转换时间。对于数字信号，临界长度 lc 定义为信号传播时间为信号脉冲最快上升/下降时间一半的线路长度。

如果 tr = 数字信号的最快上升/下降时间，则信号在长度 lc 上的传播时间为 tpd（传播延迟）。lc = tr/2（根据 lc 的定义）。

这个定义意味着信号应该能够在线路的长度 lc 上从源传播。然后在等于上升/下降时间 tr 的总时间内返回相同长度的线 lc 回到源点。

如果我们考虑数字信号上升/下降时间中的最高频率成分，则上面的等式 2a 和 2b 是相关的。

上升/下降时间 tr 的数字信号中的最高频率成分由（根据傅立叶分析）给出：

这与上面的等式 2a 相同。

什么是短线？

如果线路长度

有短线，则不必考虑其传输线效应，也不要将其设计为受控阻抗线。

但是，如果线路长度变长 ，则有必要考虑传输线路的影响并将此类线路设计为受控阻抗线路。

例子：

如果最快的信号上升/下降时间为：tr = 1ns，那么，假设FR4材料的介电常数Er = 4，

临界长度

因此，超过3/1.5 = 2英寸的信号走线需要设计为受控阻抗线。请注意，1ns 的 tr 对应于最大信号频率：

如何从数据传输率 (DTR) 或时钟频率估计上升/下降时间？

数据传输率 (DTR) 以每秒位数（bps 或位/秒或 b/s）为单位进行测量。以及以 Hz 为单位的时钟频率 (Fclock)。

DTR 通常≥ 2 Fclock。从今以后，使用以下规则将是安全的：

如果我们不知道信号上升/下降时间，我们可以使用以下规则：

例子：

对于 Fclock = 1GHz 或 DTR = Gbps，对于 Er = 4 的 PCB 材料，我们得到：

如何获得3dB带宽？

对于具有上升/下降时间 tr 的信号，3 dB 带宽由以下规则给出：

因此，对于频率为 Fclock 的时钟，我们得到：

如何分析PCB传输线？

基本上，高速或高频信号在沿传输线传输期间会在其周围产生电磁场，最好使用麦克斯韦电磁方程和电磁波传播理论分析其行为。

在这种方法中，我们必须处理电场和磁场，而不是通常的电压和电流。信号线与其返回路径之间的电压将在导体中产生电场和电流，进而在导体周围产生磁场。因此，电压、电流、电场和磁场都以波的形式沿着传输线传播。

电磁波传播与电压和电流沿传输线的传播之间存在密切的类比。由于用熟悉的电压和电流而不是电场和磁场来考虑更容易，因此我们在下面的处理中应该使用传输线的电压/电流分析。

什么是传输线参数？

传输线是大量无穷小的段，每段都可以用网络理论概念在空间和时间的特定点进行分析，由于无穷小段的长度极小而忽略其旅行时间。

在这种分析技术中，我们将处理电压和电流等量，以及电阻、电感、电容和电导等传输线参数。我们将根据传输线的以下参数对 PCB 传输线的无穷小段进行建模：

R = 传输线单位长度的电阻（或 pul）（R 单位为欧姆）
L = 传输线的电感 pul（L 单位为亨利）
C = 传输线的电容 pul（C 单位为法拉 )
G = 传输线的电导 pul (G 单位为 Mhosl)

我们可以用 Δx 表示无穷小的传输线的长度。

那么我们可以将这条传输线段描绘如下：

其中：
V(x,t) = 时间 t 时位置 x 处的信号电压
I(x,t) = 时间 t 时位置 x 处的信号电流

让我们在频域中对这个电路进行分析。在这里，我们假设信号以角频率 ω 随时间正弦变化，因此 V(x,t) 和 I(x,t) 的时变部分可以通过因子显示，我们现在有：

使用上面的基尔霍夫定律，我们得到以下关系：

从这些，通过微分，我们得到：

这个方程的一个解是：

从方程 2，

α 的单位为 pul

如果我们乘以等式 4aejwt, 以重新合并正弦电压和电流的时间变化，我们将看到现在这些等式表示在传输线上沿 x 正方向传播的电压和电流信号波：：