我們常聽到的“特性阻抗”究竟是什么?它與通常所說的“阻抗”或“直流電阻”有何區(qū)別?雖然“特性阻抗”和“阻抗”都使用[Ω]單位，但它們之間存在什么差異?

接下來，我們將為您解答這些疑問。

特性阻抗表示不消耗電力傳輸線路的橫截面結(jié)構(gòu)

阻抗以“Ω”為單位，表示交流電流流經(jīng)電阻、電容器或線圈時(shí)電流流動(dòng)的阻力程度。其中阻抗的實(shí)部會因電流流動(dòng)而消耗電力，虛部則不消耗電力，而是將電場與磁場作為能量暫時(shí)儲存。(參見第一期)

特性阻抗同樣采用“Ω”為單位，但不適用于電阻、電感、電容等電子元器件。

Zc值高的線路對應(yīng)窄水道，Zc值低的線路對應(yīng)寬水道

圖1所示通過電氣化表示PCB電路板布線、電纜、波導(dǎo)管等用于信號和電力傳送線路(也叫傳輸線路)的橫截面結(jié)構(gòu)。特性阻抗與布線寬度的關(guān)系如圖2所示：布線寬度增大時(shí)特性阻抗降低。此外，從圖3可知特性阻抗與信號在布線上的傳播速度呈正相關(guān)——特性阻抗越高，傳輸速度越快。注1)

圖1(傳輸路徑示例)

圖2 特性阻抗與布線寬度的關(guān)系(絕緣層厚度0.1mm)

圖3 特性阻抗與信號傳輸速度的關(guān)系(絕緣層厚度0.1mm)

若以水道為例，特性阻抗(以下簡稱Zc)與布線結(jié)構(gòu)的關(guān)系更易理解。假設(shè)Zc較小的布線為30Ω，Zc較大的布線為50Ω，則30Ω的布線相當(dāng)于圖4(b)，50Ω的布線則對應(yīng)圖5(b)。30Ω布線可類比為圖4(a)所示寬水道，50Ω線路則對應(yīng)圖5(a)的窄水道。若設(shè)每秒流過的水量恒定，則可知寬闊水道的水流速度慢于狹窄水道，而水道越窄，水流速度越快。

從圖2可知，當(dāng)阻抗Zc較小時(shí)，30Ω線路的布線寬度為0.35mm，而50Ω線路僅為0.15mm;當(dāng)阻抗Zc較大時(shí)，布線寬度則變窄。這種規(guī)律與水路概念相吻合。此外，根據(jù)圖3可知，30Ω線路的信號傳播速度為1.57m/s，50Ω線路為1.58m/s。這表明布線寬度較大時(shí)信號傳輸時(shí)間較短，這與寬水道水流較慢的現(xiàn)象相一致。

圖4 寬闊的水道和特性阻抗較小的布線

圖5 狹窄水道與高特性阻抗的布線

特性阻抗是指傳輸線路中電感與電容的比值

那么同軸電纜和微帶線等傳輸線路的特性阻抗又該具體如何計(jì)算呢?

有關(guān)傳輸線路的結(jié)構(gòu)及信號傳播機(jī)制將在第三期詳細(xì)闡述，但本期可將傳輸線路視為由大量的小微電容和電感組成的系統(tǒng)。

特性阻抗Z_c由單位長度電容[C]與電感[L]之比計(jì)算得出，符合公式(1)，其單位為“Ω”。

由于單位為“Ω”，乍看之下似乎像直流電阻那樣消耗電能，但在理想的無損耗傳輸線路上注1)并不會消耗電能。正如第一期所述，電容器和線圈不具有實(shí)數(shù)成分，虛數(shù)成分僅是暫時(shí)儲存電場與磁場能量，因此并不會實(shí)際消耗電能。

電感與電容的乘積表示信號傳輸線路上的延遲時(shí)間

除特性阻抗外，信號延遲時(shí)間也是重要的物理值。圖2展示了特性阻抗與信號傳播速度的關(guān)系，而延遲時(shí)間表示為其倒數(shù)。真空中的電磁波速度為3×10^8 m/s，因此傳播1米距離所需的延遲時(shí)間為3.33×10^(-9) [s/m]。在傳輸線路上，由于絕緣材料的介電常數(shù)大于真空，信號傳播速度會隨介電常數(shù)增大而減慢。介電常數(shù)影響傳輸線路的電容特性。傳輸線路上信號的延遲時(shí)間可通過電容與電感的乘積計(jì)算，如公式(2)所示。另需說明，信號傳播速度由公式(3)得出。

普通微帶線的傳播延遲為6～7ns/m(參見圖6)。該延遲在14cm～17cm布線長度下表現(xiàn)為1ns。對于1Gbps信號，傳輸1bit數(shù)據(jù)需耗時(shí)1ns，因此14cm～17cm的布線長度差異將導(dǎo)致1bit的信號延遲。若為10Gbps信號，則會產(chǎn)生10bit的信號延遲;即使布線差僅為1.4mm～1.7mm，仍會導(dǎo)致1bit的信號延遲。在設(shè)計(jì)高速數(shù)字電路及微波電路時(shí)，延遲時(shí)間與特性阻抗同為關(guān)鍵考量要素。

圖6 特性阻抗與傳播時(shí)間的關(guān)系(絕緣層厚度0.1mm)

當(dāng)連接特性阻抗不同的傳輸線路時(shí)會產(chǎn)生反射

特性阻抗在電氣學(xué)中描述了電纜或PCB電路板上布線的結(jié)構(gòu)特性，除此之外它還有哪些參考意義呢?

特性阻抗的另一重要意義在于連接電纜或線路時(shí)需考慮匹配雙方特性阻抗。此前曾將特性阻抗比作水道，想象一下在相連不同寬度水道時(shí)的情景：當(dāng)寬水道與窄水道相接時(shí)，水流在收窄處受阻，甚至可能引發(fā)倒流現(xiàn)象。

圖7 連接50Ω與70Ω線路時(shí)的信號流動(dòng)

圖8 連接50Ω與30Ω線路時(shí)的信號流動(dòng)

特性阻抗的情況下也會發(fā)生完全相同的現(xiàn)象。圖7展示了將特性阻抗為50Ω和70Ω的線路相連的實(shí)例。特性阻抗為50Ω的線路因布線寬度較大，信號傳播速度較慢;而70Ω線路因布線寬度較窄，信號傳播速度較快。當(dāng)這兩種線路連接時(shí)，信號在變窄處發(fā)生反射并逆向流動(dòng)。這與將不同寬窄水道相連時(shí)出現(xiàn)的水流現(xiàn)象完全一致。

那么如圖8所示，當(dāng)連接特性阻抗為50Ω和30Ω時(shí)會發(fā)生什么情況呢?這相當(dāng)于將窄水道與寬水道連接，在水道變寬的區(qū)域，水流變得順暢，因此水量減少——同理，信號也會產(chǎn)生負(fù)反射波導(dǎo)致信號衰減。

由此可見，當(dāng)連接特性阻抗不同的線路時(shí)，連接處會產(chǎn)生反射波導(dǎo)致信號失真。此外，特性阻抗還需與信號源的輸出電阻及負(fù)載電阻保持匹配，這一點(diǎn)至關(guān)重要。

本期總結(jié)

關(guān)于特性阻抗的總結(jié)如下：

1.它表示傳輸信號或電力的電纜及電路板上的電氣結(jié)構(gòu)，單位為“Ω”。

2.寬幅布線具有較低的特性阻抗，信號傳播速度較慢;而窄幅線路則具有較高的特性阻抗，信號傳播速度較快。

3.特性阻抗可通過Z_c=√(L?C)計(jì)算，傳播延遲時(shí)間則用T_d=√LC計(jì)算得出。

4.當(dāng)連接特性阻抗不同的線路時(shí)，會產(chǎn)生反射波導(dǎo)致信號失真。

本次有關(guān)特性阻抗的講解您覺得如何?

在接下來的第三期，我們將深入淺出地解析傳輸線如何實(shí)現(xiàn)信號傳輸。

注1. 普通同軸電纜及電路板上的布線均具有導(dǎo)體電阻，且絕緣材料會通過微弱電流，因此會消耗少量電力并導(dǎo)致電信號衰減。這種影響在電纜或布線較長、信號頻率較高時(shí)尤為顯著。