用于高速和高频应用的印刷电路通常依靠优良的传输线来进行信号传输。最常用的三种传输线技术分别是：微带线、带状线和接地共面波导（GCPW）传输线。在阻抗匹配的理想情况下，信号通过这些传输线的损耗是最小的，即传输线中阻抗连续、无中断和突变，同时具有某一最适合于通过电路信号传输的电抗值时。电路中阻抗的变化可能导致插入损耗增加、回波损耗增加、辐射能量增加、信号完整性降低（SI）以及上升时间降低。许多因素都可能影响PCB的阻抗，包括电路和电路材料的物理特性或电气特性，通过研究和更深入地理解这些变量，可以最大限度地减小其影响。

高速高频PCB传输线有多种不同类型的阻抗，包括：波阻抗，输入阻抗，特性阻抗和频变阻抗等。例如，对RF /微波电路，通常将50 Ω特性阻抗作为低损耗性能的阻抗。电路的特性阻抗Z₀可以定义为在某个方向上传播的波的电压与电流的比值，且传播的波没有受电路中其它波的干扰。 在数学上，可以简单的描述为：

Z₀ = V(x)/I(x)

其中：V（x）是电压；I（x）是电流。

考虑高频/高速电路中的电感（L）和电容（C）效应，微带的特性阻抗定义为电感除以电容的平方根，即：

Z₀ = (L/C)^0.5

其中C是电路基板介电常数（Dk）和信号平面与接地面之间的面积，以及基板厚度的函数，可表示为C =（Dk*面积）/ 厚度。 对于较厚的基板，电容降低，阻抗增加。对于较薄的基板，或者具有较高介电常数的基板，电容会增加而阻抗减小。同理，更宽的导体可以增加面积，从而达到相同的效果。

上面的阻抗定义是在理想无损情况下得出的，只与电感和电容有关，与频率无关。为了解决诸如差分电路等这种有大量电感和电容效应的复杂情况，就必须用更为全面的关系来描述。这个关系式是与频率相关的，同时也包括导体损耗和介质损耗：

Z₀ = [(R + jωL)/(G + jωC)]^0.5

其中：ω = 2πf 是角频率；G是电导，与介电损耗有关；R是电阻，与导体损耗有关。

电感和电容对电路阻抗的影响相反。增加电感可以提高阻抗，而增加电容则会导致阻抗降低。例如，在一个50Ω的系统中，阻抗可能从45 Ω变化到55 Ω。阻抗的降低可能是由于电容的增加，而阻抗的升高则可能是由于电感的增加。

传输线的物理特性也可以影响电容和电感效应，从而影响电路的阻抗。 当导体变窄时，电感增加，阻抗增加。 当导体变宽时，电容增加，阻抗减小。

阻抗的突然变化或阻抗的差异，会恶化高速/高频电路的性能。这种阻抗的突变可能发生在传输线的接头处，例如在同轴连接器和PCB的馈电点。 阻抗的变化可能会导致RF/微波信号或高速数字信号反射，减少了传递到负载的能量，而同时反射的能量也会干扰能量从信号源到负载端的传播。

传输线方程

对于高速/高频电路，理想的信号传输路径应该是：沿着信号路径的能量损失会最小，路径中阻抗能够始终保持稳定不发生变化，例如都匹配到50Ω的特性阻抗。信号的传输可能多会选择使用微带线，带状线或GCPW，因为这些结构方便集成到复杂的多层电路中。尽管用场求解技术能够提供更准确的结果，但通过求解简单闭环解析方程式也可以确定这些电路结构的阻抗。

例如，微带线阻抗的解析方程式是：

Z₀ = [87/(Dk +1.41)^0.5 ]{ln[5.98H/(0.8W + T)]}

其中：H是电介质基片的厚度；W是传输线的宽度；T是传输线铜层的厚度。

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计算带状线阻抗的公式与微带线的相似：

Z₀ = [60/(Dk)^0.5]{ln [1.9B/(0.8W + T)]}

其中：B是上下两个接地面之间电介质基板的厚度；T是带状线导体的厚度；W是带状线导体的宽度。

GCPW比微带线或带状线结构更复杂，它的计算阻抗的解析方程式也相对更复杂。幸运的是，免费的MWI-2017软件给大家提供了一种快速直接的方法，可以根据经验公式来计算GCPW的阻抗。

深入分析

高速/高频电路的物理特性在确定PCB阻抗方面至关重要。不同基板厚度、铜导体厚度或导体宽度的差异，均会导致了电路阻抗的差异。为了研究这些参数差异造成的影响，使用的20ml厚基板，铜厚为2mil和设计导体线宽为43mil（50.07 Ω的特征阻抗）作为基准，制作了多个微带线测试电路。另选择稍低的介电常数（Dk）、1mil铜厚、18mil介质厚度，以及42mil的导体宽度等多个变量，来探讨每种情况下这些物理参数对阻抗的影响。实验结果显示：在其他参数相同的情况下，较薄的基板会得到较低的阻抗，阻抗变化最大；而使用稍低Dk的电路材料阻抗差异最小；较薄的铜厚和较窄的导体宽度会降低阻抗但其产生的影响都很微小。

PCB参数中影响阻抗特性的另一个参数是铜箔表面粗糙度。通常情况下，分析阻抗变化时会忽略这个参数。我们知道，较粗糙表面的铜箔导体损耗较高，而表面光滑的铜箔的导体损耗较低，那它们如何影响阻抗呢？从波的传输角度可以很好的解释这个问题。较粗糙的铜箔表面会减慢电路中信号传播的波速，而减慢的波速（慢波）可被等效为电路的有效Dk增加（即使电路材料本身的Dk没有变化），进而导致阻抗的变化。。

很明显，许多变量都会影响高速/高频电路的阻抗，如介质厚度，铜厚，导体线宽和Dk。另外，还有一些其它因素也可能会影响PCB的阻抗，例如材料的吸水性。电路吸收的水分后会降低微带线的阻抗，因为水具有较高的Dk值。特别是在相对湿度（RH）较高的环境下，具有高吸水性的电路基板材料将对阻抗产生明显的影响。

本博客是基于作者John Coonrod在9月13日“PCB西部展览会”上的演讲整理而来。

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