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使用微帶線(xiàn)計算器確定阻抗
使用微帶線(xiàn)計算器確定阻抗
無(wú)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(shí)您需要仔細設計微帶線(xiàn)和帶狀線(xiàn)跡線(xiàn)以獲得特定的阻抗。這是通過(guò)調整線(xiàn)的寬度直到達到所需的阻抗值來(lái)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(xiàn)計算器之前，您需要了解以下內容。
微帶線(xiàn)計算器的工作原理
毫無(wú)疑問(wèn)，您已經(jīng)注意到用于不同走線(xiàn)布置的在線(xiàn)阻抗計算器的數量。各種幾何形狀和組合的微帶線(xiàn)、帶狀線(xiàn)和傳輸線(xiàn)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(xiàn)計算器都基于兩個(gè)可能的方程：
IPC 2141 方程：這是由 IPC 根據實(shí)驗數據確定的微帶線(xiàn)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(xiàn)設計手冊中找到。這本教科書(shū)提供了一個(gè)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(xiàn)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(chǎn)生的阻抗的常用公式就會(huì )失效，無(wú)法再使用。并非所有計算器都會(huì )告訴您何時(shí)超出了允許的限制。
計算器輸入
請注意，許多在線(xiàn)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(xiàn)厚度（由銅重量決定）
基板厚度（請咨詢(xún)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(gè)按鈕，它就會(huì )輸出所需阻抗值的走線(xiàn)寬度，或者它會(huì )輸出您選擇的走線(xiàn)寬度的阻抗值。這些計算器使用阻抗來(lái)計算走線(xiàn)寬度，或者使用迭代數值技術(shù)從阻抗計算走線(xiàn)寬度。
微帶線(xiàn)計算器失敗的地方
如果您只關(guān)心單個(gè)頻率（例如高頻模擬信號）發(fā)生的情況，在線(xiàn)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(gè)頻域中發(fā)生的情況。
我在互聯(lián)網(wǎng)上看到的每一個(gè)微帶線(xiàn)計算器都至少在以下一個(gè)方面失?。?span>
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(xiàn)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(shí)數據，微帶線(xiàn)的實(shí)際阻抗將不會(huì )是純電阻；會(huì )有一些虛構的部分。此外，阻抗的實(shí)部不會(huì )完全飽和到 50 歐姆；它會(huì )圍繞這個(gè)值波動(dòng)。
下圖比較了 8 層板上的實(shí)際微帶線(xiàn)與您將通過(guò)計算器確定的理想微帶線(xiàn)的阻抗。通過(guò)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(shí)阻抗與頻率的關(guān)系。如果我們將 8.7 mil 寬度用于粗微帶線(xiàn)，我們將在如下所示的整個(gè) 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(gè)微帶線(xiàn)（黑色的粗糙微帶線(xiàn)，紅色的平滑微帶線(xiàn)）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(xiàn)計算器，而是需要在 PCB 設計工具中內置更精確的場(chǎng)解算器。
微帶阻抗計算器的一個(gè)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(guò)微帶線(xiàn)所需的時(shí)間。這稱(chēng)為線(xiàn)路延遲、傳輸延遲或傳播延遲（取決于您詢(xún)問(wèn)的對象）。請注意，因為實(shí)際微帶線(xiàn)阻抗是頻率的復函數，所以傳播常數也是頻率的函數。