传输线的特性阻抗和传播延迟

传输线是任何两个由介电材料隔开的具有一定长度的导体。一个导体是信号路径，另一个是其返回路径。当信号的前缘沿传输线传播时，两个带相反电荷的导体之间的电场强度会在它们之间产生电压。同样，通过它们的电流会产生相应的磁场。在其特性阻抗中端接的均匀传输线在线路上的每个点的给定频率下将具有恒定的电压与电流比。

为了确保良好的信号完整性，在整个过程中的每个点保持恒定的阻抗非常重要。特性阻抗的任何变化都会导致反射，从而表现为信号上的噪声。在任何印刷电路板设计中，几乎不可能保持从发射器到接收器的传输路径的恒定阻抗。通孔、非均匀电介质、厚度变化和其他元件寄生效应都会导致阻抗失配。在高速设计中，不受控制的阻抗会显著降低电压和时序裕量，以至于电路可能处于边缘或最糟糕的是无法作。您能做的最好的事情就是尽量减少每个阻抗不连续性。

有损传输线电路模型：

 

有损传输线的电路模型假设无限系列的双端口元件，如图所示。串联电阻器表示分布电阻，单位为每单位长度的欧姆 （Ω）。串联电感器表示分布式回路电感，单位为每单位长度的亨利 （H）。将两个导体分开的是电导材料，由电导 G 表示，单位为每单位长度的西门子 （S）。最后，并联电容器表示两个导体之间的分布电容，单位为每单位长度的法拉 （F）。

2D 场求解器是从给定传输线几何结构中提取这些参数的最佳工具。但是，它假定相同的几何图形在其整个长度上保持不变。许多类似 spice 的仿真器需要这些 RLGC 参数来构建其有损传输线模型。

给定 RLGC 参数，特性阻抗可以通过以下公式计算：

 

哪里：

Zo 是传输线的固有特性阻抗。

Ro 是传输线每单位长度的固有串联电阻。

Lo 是传输线每单位长度的本征回路电感。

Go 是传输线每单位长度的本征电导。

Co 是传输线每单位长度的固有电容。

无损传输线：

对于无损传输线模型，假设 Ro 和 Go 为零。因此，方程式简化为：

 

传播延迟：

传播延迟与传输线有关，是信号通过导体从点传播到另一个点所需的时间长度。给定每单位长度的电感和电容，信号的传播延迟可由以下公式确定：

 

哪里：

tpd 是传播延迟，单位为秒/单位长度。

Lo 是传输线每单位长度的本征回路电感。

Co 是传输线每单位长度的固有电容。

相对介电常数也称为 相对介电常数 。该数字是衡量绝缘体材料传输电场的能力与真空（1）相比的指标。为简单起见，通常将其简称为介电常数 Dk。

电磁信号以光速在自由空间中传播。当这些信号被空气或真空以外的绝缘材料包围时，传播延迟会成比例增加。您可以通过以下公式确定已知 Dk 的传播延迟：

 

哪里：

Dk 是材料的介电常数。

c 是自由空间中的光速 = 2.998E8 m/s 或 1.180E10 in/s。