信号完整性之传输线理论（三）

一、什么是传输线

在平常的印象中大家可能认为传输线就是我们(layout)平常拉的走线，但实际并不是这样。传输线包括同轴线、多导线、PCB走线(带状线、微带线)，我们今天讨论的是PCB走线。在PCB设计中信号是有回流的，回流的信号大多都是地平面，所以大家很少关心，只要保证地平面相对完整就可以。下面有几种传输线的定义：
1.传输线可以定义为传输电流的有信号回流的信号线。当信号传输互连的电路尺寸接近信号最高频率的波长(波长计算公式如下)时，要考虑传输线效应。
2.传输线是用来引导传输电磁波能量和信息的装置。
关于不同的地平面设计，个人认为只要保证相应的模块对应相应的回流地就可以。因为不管什么模拟地、功率地或者数字地总归要回到一个大地平面。不知道大家是怎么认为的？

波长的计算公式：波长等于光速/频率
光速单位为m/s，频率单位为Hz，波长单位为m。

二、传输线的传输模式

传输模式包括许多种，不同的传输线有不同的传输模式。对于我们的PCB走线(带状线和微带线)应该是TEM波。下面是从各种资料收集到的传输模式的解释：
1.TEM波(横电磁波)：表示电场(E)和磁场(M)都与电磁波传输方向相互垂直。
2.TE波(横电波)：电场与电磁波传输方向垂直，传播方向上只有磁场分量。
3.TM波(横磁波)：磁场方向与电磁波方向垂直，传播方向上只有电场分量。
相应的图片很难找到，大家脑补一下，以后如果有相应的图片解释我会在更新。

三、传输线的分布参数和集中参数电路

在低频电路中忽略元件连接线的分布参数效应，认为电场能量全部集中在电容器中，磁场能量全部集中在电感器中，电阻元件是消耗电磁能量的。这些集中参数元件组成的电路称为集中参数电路。当信号频率升高，电路元件的辐射损耗、导体损耗以及介质损耗等增加，电路参数也随之变化。当频率提高到其波长和电路几何尺寸可相比时，电场能量和磁场能量的分布空间就很难分开。而连接元件的导线的分布参数已不可忽略，这种电路称为分布参数电路。
在我们进行互连设计，主要关心的是重要信号线或者是高频的信号线。所以下面主要说一下高频时传输线的分布参数：当高频信号通过传输线时，由于电流流过时导线会发热，表明导线本身具有分布电阻R1。导线之间不会绝对绝缘，所以copper之间会存在漏电流，表明导线之间存在分布电导R_G1。导线中有电流，其周围就会有磁场，表明导线上存在分布电感L1。导线之间有电压，导线间便存在分布电容C1。
传输线的分布参数电路主要是由这四个等效的分布器件组成。
【R1为单位长度损耗电阻；G1为单位长度损耗电导；L1为单位长度电感，简称分布电感；C1为单位长度电容；简称分布电容。当R1=0，G1=0时称为无损传输线】

四、带状线与微带线

在我们PCB设计中，通常把走在表层的互连线叫做微带线(Microstrip Line)，走在PCB内层的叫做带状线(Strip Line)。微带线只有次表层一层参考层，带状线可以由相邻上下两层的参考层。

下面是从书上看见的几个常见的计算公式：
微带线的特征阻抗：

传播时延：

带状线的特征阻抗：

传播时延：

经过上述的简单介绍，总结出下面的一段内容：
直流或者时低频的时候（频率小，一个周期内振荡次数少），按照集中参数电路处理，信号回流按照阻抗最低的路径。高频时（频率变化块，一个周期内振荡次数多），按照分布参数电路处理，信号选择感抗最低的路径回流。
以上资料主要参考《Cadence 高速电路设计》、《ANSYS信号完整性分析与仿真实例》
如有错误，希望各位大神留言指正，顺便点个赞，感谢！！！