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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，還是您的職業生涯已經結束，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，您需要了解以下內容。
微帶線計算器的工作原理
毫無疑問，您已經注意到用于不同走線布置的在線阻抗計算器的數量。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。
您可以在互聯網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 根據實驗數據確定的微帶線阻抗的經驗方程。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生精確阻抗計算的幾何參數范圍。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誤差小于 1%。
遵守約束
大多數計算器在走線厚度小于介電基板厚度的近似下執行標準公式。一旦與基板厚度相比，銅變得太寬，有效介電常數和由此產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
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（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）發生的情況，在線阻抗計算器就很好。數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生的情況。
我在互聯網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，必須包含在數字信號的微帶阻抗計算中。如果使用介電常數和銅粗糙度的真實數據，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。該參數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，所以傳播常數也是頻率的函數。