使用(yòng)微带線(xiàn)计算器确定阻抗

2021-06-23

使用(yòng)微带線(xiàn)计算器确定阻抗

无论您是 PCB 设计的新(xīn)手，还是您的职业生涯已经结束，在 RF 和高速设计中，有(yǒu)时您需要仔细设计微带線(xiàn)和带状線(xiàn)迹線(xiàn)以获得特定的阻抗。这是通过调整線(xiàn)的宽度直到达到所需的阻抗值来完成的。了解阻抗计算器的适用(yòng)范围很(hěn)重要，因為(wèi)不同的计算器包括对介電(diàn)特性和信号的特定假设。在使用(yòng)微带線(xiàn)计算器之前，您需要了解以下内容。

微带線(xiàn)计算器的工作原理(lǐ)

毫无疑问，您已经注意到用(yòng)于不同走線(xiàn)布置的在線(xiàn)阻抗计算器的数量。各种几何形状和组合的微带線(xiàn)、带状線(xiàn)和传输線(xiàn)都有(yǒu)自己的阻抗公式。这些值通常只是近似值，除非在特定情况下，否则不能(néng)被认為(wèi)是可(kě)靠的。

您可(kě)以在互联网上找到的微带線(xiàn)计算器都基于两个可(kě)能(néng)的方程：

IPC 2141 方程：这是由 IPC 根据实验数据确定的微带線(xiàn)阻抗的经验方程。众所周知，该方程的阻抗计算误差高达 7%。

Wadell 方程：这些微带阻抗方程可(kě)在 Brian C. Wadell 的传输線(xiàn)设计手册中找到。这本教科(kē)书提供了一个阻抗方程和一些约束方程，这些方程指定了计算器将产生精确阻抗计算的几何参数范围。Wadell 方程是使用(yòng)保角映射的渐近结果确定的，并且在指定的约束范围内误差小(xiǎo)于 1%。

遵守约束

大多(duō)数计算器在走線(xiàn)厚度小(xiǎo)于介電(diàn)基板厚度的近似下执行标准公式。一旦与基板厚度相比，铜变得太宽，有(yǒu)效介電(diàn)常数和由此产生的阻抗的常用(yòng)公式就会失效，无法再使用(yòng)。并非所有(yǒu)计算器都会告诉您何时超出了允许的限制。

计算器输入

请注意，许多(duō)在線(xiàn)资源错误地将 Wadell 的方程归因于 Rick Hartley，他(tā)在 2003 年将它们包含在 PCB 设计演示中。 不管归属如何，计算器中都有(yǒu)一些参数

走線(xiàn)厚度（由铜重量决定）

基板厚度（请咨询您的制造商(shāng)或层压板供应商(shāng)以了解不同的选项）

介電(diàn)常数（Dk 值）

将这些值输入计算器后，只需单击一个按钮，它就会输出所需阻抗值的走線(xiàn)宽度，或者它会输出您选择的走線(xiàn)宽度的阻抗值。这些计算器使用(yòng)阻抗来计算走線(xiàn)宽度，或者使用(yòng)迭代数值技术从阻抗计算走線(xiàn)宽度。

微带線(xiàn)计算器失败的地方

如果您只关心单个频率（例如高频模拟信号）发生的情况，在線(xiàn)阻抗计算器就很(hěn)好。数字信号范围从直流到非常高的频率，阻抗计算必须考虑整个频域中发生的情况。

我在互联网上看到的每一个微带線(xiàn)计算器都至少在以下一个方面失败：

您不能(néng)在计算器中包括介電(diàn)损耗

您不能(néng)在计算器中包括線(xiàn)路的直流電(diàn)阻

计算仅在单一频率下有(yǒu)效（即忽略衬底中的色散）

你不能(néng)包括铜粗糙度或趋肤效应電(diàn)阻

所有(yǒu)这些影响都很(hěn)重要，必须包含在数字信号的微带阻抗计算中。如果使用(yòng)介電(diàn)常数和铜粗糙度的真实数据，微带線(xiàn)的实际阻抗将不会是纯電(diàn)阻；会有(yǒu)一些虚构的部分(fēn)。此外，阻抗的实部不会完全饱和到 50 欧姆；它会围绕这个值波动。

下图比较了 8 层板上的实际微带線(xiàn)与您将通过计算器确定的理(lǐ)想微带線(xiàn)的阻抗。通过包括铜粗糙度、介電(diàn)损耗角正切、直流電(diàn)阻和趋肤效应，我们可(kě)以捕捉真实阻抗与频率的关系。如果我们将 8.7 mil 宽度用(yòng)于粗微带線(xiàn)，我们将在如下所示的整个 100 MHz 至 20 GHz 频率范围内具有(yǒu)更大的阻抗失配。

设计為(wèi) FR4（2116 编织）上 50 欧姆目标阻抗的两个微带線(xiàn)（黑色的粗糙微带線(xiàn)，红色的平滑微带線(xiàn)）的阻抗。

对于达到 GHz 范围的高速设计，您必须包括这种真正的变化，因為(wèi)较新(xīn)的信号标准需要宽带阻抗匹配。您不需要使用(yòng)微带線(xiàn)计算器，而是需要在 PCB 设计工具中内置更精确的场解算器。

微带阻抗计算器的一个重要输出也是微带的有(yǒu)效介電(diàn)常数。该参数决定了信号的传播速度，然后可(kě)用(yòng)于确定信号通过微带線(xiàn)所需的时间。这称為(wèi)線(xiàn)路延迟、传输延迟或传播延迟（取决于您询问的对象）。请注意，因為(wèi)实际微带線(xiàn)阻抗是频率的复函数，所以传播常数也是频率的函数。