浅谈阻抗匹配（三）传输线模型反射原因及反射现象

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。

传输线对整个电路带来以下效应：

1.反射信号。
2.延时和时序错误。
3.多次跨越逻辑电平门限错误。
4.过冲与下冲。
5.串扰。
6.电磁辐射。

一：传输线模型

四种电性等效模型的分类与电磁波的波长（或信号的上升时间）相关，也与系统的几何尺寸相关。

1.DC直流模型

只需要一个电阻或者零延迟时间的导线就足以代表电磁波的性能。

2.集总模型

如果传输线的整体传输延迟时间较信号的上升时间来的短的话，只需要一个RLC网络或是RC网络就可以代表整个电磁波的性能，我们称它为“集总模型”。

在集总模型的环境里，电磁波的波长会远大于电路的物理尺寸，所以，可以将分布的一些小的电路元件集总起来就可以精确地描述电磁波的性能。

3.RLC分布参数模型

一个导体系统（主要指无源网络），若系统的物理尺寸足 够小，以至于当信号输入时，其上所有点同时达到相同的 电位，则该系统被称为集中系统（ Lumped System）。反 之，则称为分布系统（ Distributed System）。

简化数学模型，用“电容”来描述电能。用“电感”来表示磁能，用“电阻”来代表转换为热的 能量损耗。这些元件被定义成没有实际尺寸，由无损和无延迟的导线将它们连接起来。有了这些电路元件就不再需要麦克斯韦方程组和边界条件，利用这些电路元件就可以来描述一个 所谓的理想传输线的结构。基本的传输线结构如图所示，理想上，它是由无限多的RLC网络所组成的，然而，为了计算的目的（特别是为了时域的计算方便），我们通常选择有限个RLC网络来代表。其基本的假设是每个 RLC网络的延迟时间远小于信号的波长或者上升时间。

tr:上升时间，单位:（ps）。td:单位传输延迟时间，单位:（ps/in）

其物理意义: 上升时间在导体中传输时所占有的物理长度。

** 4.全波模型（RLGC全波模型)**

全波模型，理论来自于麦克斯韦方程式，假设电磁波在一个无限打大的平面上进行。X是电场的方向， Y是磁场的方向，整个电磁场往Z方向进行。传播速度为光速。

阻抗，电场对磁场的比值，在自由空间里为377欧姆。当平面波遇到一个高传导物体时，传播方向会 随即发生变化。如果适当地调整传播的物体，则平面波可以被导入到一个传输线里，这个我们称为全波模型。

使用选择边界条件用以代表实际物体的几何结构以及所使用的材料来求解。全波模型的麦克斯威方程组，即使非常简单的结构体，方程组也很难解出。

一：反射

是什么引起了反射？为什么信号遇到阻抗突变时会发生反射？

答案是：产生反射信号是为了满足两个重要的边界条件。信号到达瞬时阻抗不同的两个区域的交界面时，在信号/返回路径的导体中仅存在一个电压和一个电流回路。在交界面处，无论时从区域1还是从区域2看过去，在交界面的两侧的电压和电流都必须相等。边界处不可能出现电压不连续，否则此处会产生一个无限大的电场；也不可能电流不连续，否则会在交界面处产生净电荷。

传输系数: t=2Z2/Z2+Z1

反射系数描述了反射回源端的那部分电压，传输系数描述了通过交界面进入第二个区域的入射电压。

传输线的短接匹配有3种最重要的特殊情况：

首先：传输线的终端为开路

第二种特殊情况是：传输线的末端与返回路径相短路，即末端阻抗为0。

最后一种特殊情况是：传输线末端所接阻抗与传输线的特性阻抗相匹配。

容性终端的反射与感性突变的反射：

如果信号沿互联传播时受到的瞬时阻抗发生变化，则一部分信号将被反射，另一部分发生失真并继续传播下去，这一原理正是单一网络中多数信号完整性产生的主要原因。

为了得到最优的信号质量，设计互联的目的就是尽可能保持信号受到的阻抗恒定：

第一层含义：保持互联的瞬时阻抗恒定。

** 第二层含义：可以在传输线的终端进行阻抗匹配。**

** 第三层含义：即使已经是可控阻抗互联和终端连接，布线的拓扑结构也会影响反射，因此其中的一个策略是维持一个线性的布线拓扑，线上不要有分支。如果有分支则每个分支都要进行匹配。**

即使如此，信号遇到瞬时阻抗突变就会反射，这可能发生在线的末端，或者互联拓扑结构发生改变的任何地方，如拐角、过孔、分支结构、连接件和封装处。

没有人知道到底是什么产生了反射电压？只是知道这样产生后，交界面两侧的电压才可以相等，交界面处的电压才是连续的。同样，在交界面两侧也存在电流回路，电流也是连续的。这样，系统才是平衡的。