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使用微帶線計算器確定阻抗
使用微帶線計算器確定阻抗
無論您是 PCB 設計的新手，還是您的職業(yè)生涯已經(jīng)結束，在 RF 和高速設計中，有時您需要仔細設計微帶線和帶狀線跡線以獲得特定的阻抗。這是通過調(diào)整線的寬度直到達到所需的阻抗值來完成的。了解阻抗計算器的適用范圍很重要，因為不同的計算器包括對介電特性和信號的特定假設。在使用微帶線計算器之前，您需要了解以下內(nèi)容。
微帶線計算器的工作原理
毫無疑問，您已經(jīng)注意到用于不同走線布置的在線阻抗計算器的數(shù)量。各種幾何形狀和組合的微帶線、帶狀線和傳輸線都有自己的阻抗公式。這些值通常只是近似值，除非在特定情況下，否則不能被認為是可靠的。
您可以在互聯(lián)網(wǎng)上找到的微帶線計算器都基于兩個可能的方程：
IPC 2141 方程：這是由 IPC 根據(jù)實驗數(shù)據(jù)確定的微帶線阻抗的經(jīng)驗方程。眾所周知，該方程的阻抗計算誤差高達 7%。
Wadell 方程：這些微帶阻抗方程可在 Brian C. Wadell 的傳輸線設計手冊中找到。這本教科書提供了一個阻抗方程和一些約束方程，這些方程指定了計算器將產(chǎn)生精確阻抗計算的幾何參數(shù)范圍。Wadell 方程是使用保角映射的漸近結果確定的，并且在指定的約束范圍內(nèi)誤差小于 1%。
遵守約束
大多數(shù)計算器在走線厚度小于介電基板厚度的近似下執(zhí)行標準公式。一旦與基板厚度相比，銅變得太寬，有效介電常數(shù)和由此產(chǎn)生的阻抗的常用公式就會失效，無法再使用。并非所有計算器都會告訴您何時超出了允許的限制。
計算器輸入
請注意，許多在線資源錯誤地將 Wadell 的方程歸因于 Rick Hartley，他在 2003 年將它們包含在 PCB 設計演示中。 不管歸屬如何，計算器中都有一些參數(shù)
走線厚度（由銅重量決定）
基板厚度（請咨詢您的制造商或層壓板供應商以了解不同的選項）
介電常數(shù)（Dk 值）
將這些值輸入計算器后，只需單擊一個按鈕，它就會輸出所需阻抗值的走線寬度，或者它會輸出您選擇的走線寬度的阻抗值。這些計算器使用阻抗來計算走線寬度，或者使用迭代數(shù)值技術從阻抗計算走線寬度。
微帶線計算器失敗的地方
如果您只關心單個頻率（例如高頻模擬信號）發(fā)生的情況，在線阻抗計算器就很好。數(shù)字信號范圍從直流到非常高的頻率，阻抗計算必須考慮整個頻域中發(fā)生的情況。
我在互聯(lián)網(wǎng)上看到的每一個微帶線計算器都至少在以下一個方面失敗：
您不能在計算器中包括介電損耗
您不能在計算器中包括線路的直流電阻
計算僅在單一頻率下有效（即忽略襯底中的色散）
你不能包括銅粗糙度或趨膚效應電阻
所有這些影響都很重要，必須包含在數(shù)字信號的微帶阻抗計算中。如果使用介電常數(shù)和銅粗糙度的真實數(shù)據(jù)，微帶線的實際阻抗將不會是純電阻；會有一些虛構的部分。此外，阻抗的實部不會完全飽和到 50 歐姆；它會圍繞這個值波動。
下圖比較了 8 層板上的實際微帶線與您將通過計算器確定的理想微帶線的阻抗。通過包括銅粗糙度、介電損耗角正切、直流電阻和趨膚效應，我們可以捕捉真實阻抗與頻率的關系。如果我們將 8.7 mil 寬度用于粗微帶線，我們將在如下所示的整個 100 MHz 至 20 GHz 頻率范圍內(nèi)具有更大的阻抗失配。
設計為 FR4（2116 編織）上 50 歐姆目標阻抗的兩個微帶線（黑色的粗糙微帶線，紅色的平滑微帶線）的阻抗。
對于達到 GHz 范圍的高速設計，您必須包括這種真正的變化，因為較新的信號標準需要寬帶阻抗匹配。您不需要使用微帶線計算器，而是需要在 PCB 設計工具中內(nèi)置更精確的場解算器。
微帶阻抗計算器的一個重要輸出也是微帶的有效介電常數(shù)。該參數(shù)決定了信號的傳播速度，然后可用于確定信號通過微帶線所需的時間。這稱為線路延遲、傳輸延遲或傳播延遲（取決于您詢問的對象）。請注意，因為實際微帶線阻抗是頻率的復函數(shù)，所以傳播常數(shù)也是頻率的函數(shù)。