周偉 | 文

微信號 | 高速先生

單獨一根導線可以傳輸信號嗎？有人可能會有疑問：貌似我們經常碰到當懷疑PCB走線有問題，然后把線刮斷再從外面飛根線就沒問題了，此時飛線不就是一根嗎？怎么就可以傳輸信號了呢？其實這里忽略了一點，雖然在外面飛了根線，但PCB上面還有其他的平面，這個平面就相當于返回路徑，和我們的PCB上單端信號一樣，信號管腳之間連接確實只有一根，但如果沒有地平面，那么信號是傳輸不了的，這個地平面就構成了返回路徑。所以我們把由任意兩條有一定長度的導線組成的線路結構叫做傳輸線，其中一條是信號路徑，另一條是返回路徑，兩者缺一不可且作用同等重要。

傳輸線的種類很多，如均勻傳輸線、非均勻傳輸線、平衡傳輸線和非平衡傳輸線等，不勝枚舉，但通常我們接觸的都是均勻傳輸線，也叫可控阻抗傳輸線，如雙絞線、同軸電纜、微帶線、帶狀線和共面線等。前面說了傳輸線有兩條，當兩條線一樣時，如雙絞線，信號路徑與返回路徑沒有嚴格的區分；如果兩條線不相同，如微帶線，則通常把較窄的那條稱為信號路徑，而把平面稱為返回路徑，如下圖一所示。這里需要注意，很多時候我們可以把地叫返回路徑，但卻不能把返回路徑叫地，因為返回路徑也有可能是其他信號，所以地不是絕對的概念，但返回路徑卻是，返回路徑的叫法更廣泛。

圖一 傳輸線示圖

在PCB中，最常見的均勻傳輸線有微帶線、帶狀線和共面線，同時它們也可以叫非平衡傳輸線(共面線也有歸為平衡傳輸線的情況)，因為這些傳輸線的兩條導線寬度不一樣，但無論傳輸線是均勻的還是非均勻的，平衡的還是非平衡的，它們的最終作用都是一樣，那就是在可接受的失真度下，保證信號的正確傳輸。

說到微帶線和帶狀線，大家的第一反應大概是在表層的叫微帶線，在內層的叫帶狀線，是不是這樣呢？

其實這個只是表面的理解，也就是表面現象，那它們的本質區別是什么呢？相信很多參加過我們研討會的童鞋都知道，那就是看它們有幾個參考層，這個才是正解，因為有些走線如嵌入式微帶線雖然是在內層，但它卻不是帶狀線。

好吧，看看下面的微帶線和帶狀線示圖。

它們都是均勻的或可控阻抗傳輸線，這個阻抗與線寬、線的厚度、線到參考的高度以及線路周圍介質的介電常數有關。經常有人這樣問：你們的阻抗是在多高頻率下測試的？這個問題真是難住我了！我竟一時無言以對！這個問題和類似的“信號到了較高頻以后，阻抗會影響很大”其實差不多，不是不太懂就是操心太多。其實前面已經講了阻抗和哪些因素相關，這些因素中唯一和頻率相關的就是介質的介電常數。我們現在多數PCB用的是FR4介質，該類型的介質介電常數一般隨頻率的升高而變小，但一般這個變化范圍不會太大，在40GHz內不會超過0.5(好的材料會在0.2以內)，如果超過了則代表這種材料穩定性很差，一般人也不會選擇，尤其是到了很高速的情況下，大家也都不是傻子。既然介電常數變化不大，那么這個阻抗也就在一定的頻率范圍內偏差不大了(除非材料本身出了問題)，所以還是多操心在其他的方面，比如制板及工藝控制等的偏差吧。

與介電常數相關的，除了傳輸線的阻抗，其實另一個問題大家也會經?；煜?#xff0c;那就是傳輸線的時延。經常會有人問：我的這個信號速率(頻率)升高了，那么它就跑得更快了，對應的時延就更小了，是這樣嗎？呵呵，我又無言以對了！

這里把信號的速率(頻率)和信號的傳輸速度混淆了，信號的速率(頻率)是信號本身的特征，代表輸出信號的信號源內部電路的翻轉頻率，就像不同的車子有不同的車速一樣，這個取決于車子本身的發動機性能；而信號的傳輸速度則接近光速在介質中的傳播速度，因為信號的傳播方式是以電磁場的形式傳播，這個傳播速度與信號本身的速率無關，只與PCB的介質材料相關，最直接的影響就是相對介電常數，信號的傳輸速度可以大致由下列公式得到：

其中，ε0是自由空間的介電常數：(

), εr是材料的相對介電常數，μ0是自由空間的導磁率(

), μr是材料的相對導磁率，通常為1。

所以上面公式可以近似為

，相當于光速除以材料的相對介電常數的平方根，而時延Td=線長Len/v，那么這個時延和材料的相對介電常數就正相關了。不同材料的時延不一樣，一般高速板材(低損耗板材)的相對介電常數較低，時延會相對小。時延到底和頻率有沒有關系呢？就像上面阻抗和頻率的關系一樣，取決于介電常數的偏差，通常這個偏差不會太大，所以一般也不用太過焦慮。不過有一點不容忽視，就是介電常數還會受高低溫及濕度的影響，當材料本身的性能不穩定，這個偏差就會稍微大一點，此時一旦系統的設計裕量不足，那么就會出現一些產品在高低溫的情況下出現問題，這個時候又回到了裕量上面，靠譜的設計才是保證裕量的基本條件。

小結一下：關于傳輸線，需要知道的是信號路徑和返回路徑是傳輸線的基本構成，兩者作用均等缺一不可，同時阻抗和時延是傳輸線的兩個非常重要的特征，后面涉及到的反射、串擾及時序等都和它們關系密切。

提問：微帶線可以傳輸10Gbps以上高速信號嗎？為什么大多數高速信號都是用帶狀線來布呢？

總結

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