依据电路的工作频率,通常我们会将电路分为集总参数电路和分布参数电路。集总参数电路是指电路的元件就是一个个的实体元件,除此之外,再无额外的器件,比如电路中的一个1KOhm电阻,就是指此电路中的某个电阻器的值为1KOhm的。在高频情况下,在我们关注的几何尺度上,电路中电压和电流的分布不再与空间位置无关,此时适用于集总参数的电路理论将不能适用于较长的导线上。此时,参考数学上极限的思路,我们可以把长导线分割成较短的导线段,这些线段足够小,以满足集总参数的分析要求,这些线段包含了传输线的损耗、电感、电容等所有电气参数,从而又可以采用经典的集总参数模型来分析电路了。这种手段所分析的电路参数,除了实体的电阻、电容和电感,还存在额外的,看不见的元件,就像是分布于电路所在的整个空间里一个个“隐形的元件”,于是形象的称呼为分布参数电路。注意,这种手段分析电路时所采用的参数,包括R、L、C、G,都是单位长度的值,也就是下图示意的
Δ
Z
\varDelta Z
ΔZ部分的值。模型可以用下图所示的方式表示:
特性阻抗
Z
0
Z_0
Z0(characteristic impedance)用来表征这些看不见的元件对电路的作用。由于传输线上电压电流的的空间分布特性,我们可以从电压波和电流波的角度去理解传输线的行为。电压和电流通常通过阻抗联系起来,根据传输线理论及其等效电路模型,结合电路的基尔霍夫电压、电流定律,可以推导出传输线的特性阻抗的表达式:
Z
0
=
V
+
I
+
=
−
V
−
I
−
=
R
+
j
ω
L
G
+
j
ω
C
Z_0 = \frac {V^+} {I^+} = - \frac {V^-} {I^-} = \sqrt{ \frac{R + j \omega L} {G + j \omega C} }
Z0=I+V+=−I−V−=G+jωCR+jωL
通过上式需要认识到,
Z
0
Z_0
Z0不是前文所描述的常规意义上的阻抗,它的定义,是基于正向和反向行进的电压波和电流波的,或者可以说,特性阻抗就是信号在传输线上行进到某一处感受到的瞬时阻抗。这种定义和基于总电压和总电流概念所定义的常规电路的阻抗完全不同,注意与集总参数电路中概念的区分。
T
D
=
C
t
o
t
a
l
L
t
o
t
a
l
=
L
e
n
×
C
L
e
n
L
L
e
n
=
L
e
n
v
T_D = \sqrt{ C_{total} L_{total} } = Len \times \sqrt{ C_{Len} L_{Len} } = \frac {Len} v
TD=CtotalLtotal=Len×CLenLLen=vLen
C
L
e
n
C_{Len}
CLen和
L
L
e
n
L_{Len}
LLen 分别代表单位长度的电容和回路电感。公式中
υ
\upsilon
υ是信号在传输线中的相速度,可见相速度是传输线的特征参数的函数,而与信号的频率无关,也就是说信号中任意频率分量的信号具有相同的相速度,我们把这个特性叫做无色散。然而实际情况一般都需要考虑介质带来的频率相关性,也就是色散特性,色散会导致信号的畸变。
υ
=
2.99
∗
1
0
8
ε
r
μ
r
m
/
s
=
11.9
ε
r
μ
r
i
n
/
n
s
\upsilon = \frac {2.99*10^8} {\sqrt{\varepsilon_r \mu_r} } m/s = \frac {11.9} {\sqrt{\varepsilon_r \mu_r} } in/ns
υ=εrμr2.99∗108m/s=εrμr11.9in/ns
Z
0
=
87
Ω
1.41
+
ε
r
l
n
5.98
h
0.8
w
+
t
Z_0 = \frac {87\Omega} {\sqrt {1.41 + \varepsilon_r} } ln{\frac {5.98h} {0.8w + t}}
Z0=1.41+εr87Ωln0.8w+t5.98h
对于带状线的特性阻抗公式为:
Z
0
=
60
Ω
ε
r
l
n
2
b
+
t
0.8
w
+
t
Z_0 = \frac {60\Omega} {\sqrt {\varepsilon_r} } ln{\frac {2b+t} {0.8w + t}}
Z0=εr60Ωln0.8w+t2b+t
其中,
Z
0
Z_0
Z0为传输线的特性阻抗(
Ω
\Omega
Ω),h为传输线与参考平面间的介质厚度(mil),w为传输线的线宽(mil),b表示两参考平面间的距离(mil),t表示传输线金属层的厚度(mil),
ε
r
\varepsilon_r
εr为介质的介电常数。