特性阻抗到底是什么

欧姆定律的公式：

电阻作为物理概念是一种阻碍电流通过的能力，是一个用来提供“分压”或 “限流”功能的一个元器件，这个元器件的名称叫“电阻器”，你们做题时计算的电阻是该电阻器对电流通过的阻碍能力。

我们通过一个具体的电路来分析这三者之间的具体关系，请看下面的一张最简单的电路图。这个电路图只有一个电源一个电阻和一些导线组成。

当然这个电阻的阻值也可以通过用万用表来直接测量。

特性阻抗就不一样了，用万用表是没法测量的。

这就需要我们从概念上区分电阻（哪怕是刚好是50欧姆的电阻）和特性阻抗是两码事。

特性阻抗不是直流电阻，属于长线传输中的概念。在高频范围内，信号传输过程中，信号沿到达的地方，信号线和参考平面（电源或地平面）间由于电场的建立，会产生一个瞬间电流，如果传输线是各向同性的，那么只要信号在传输，就始终存在一个电流I，而如果信号的输出电平为V，在信号传输过程中，传输线就会等效成一个电阻，大小为V/I，把这个等效的电阻称为传输线的特性阻抗Z。信号在传输的过程中，如果传输路径上的特性阻抗发生变化，信号就会在阻抗不连续的结点产生反射。特性阻抗是指在某一频率下，传输信号线中（也就是我们制作的线路板的铜线），相对某一参考层（也就是常说的屏蔽层、影射层或参考层），其高频信号或电磁波在传播过程中所受的阻力称之为特性阻抗，它实际上是电阻抗、电感抗、电容抗等一个矢量总和。

特性阻抗是均匀传输线上各点的电压和电流的比值。特性阻抗受介电常数、介质厚度、线宽等因素影响。

现象类比：运输线的糟糕路况（类似传输线里的特性阻抗）会影响运输车队的速度，路越窄，路的阻碍作用越大（特性阻抗大，通过的无线电波能量就小）；路越宽、路况越好，通过的车队速度越快（通过的无线电波能量越多）。假若一段路况特别好，另一段路况特别差，从路况好的路段进入差的路段，车队就需要放慢速度。这就说明两段路的路况不匹配（阻抗不匹配）。

所以对于非均匀的传输线是不能称之为特性阻抗的，这只能说是“瞬时的阻抗”，因为电路板上面不可能一直保持某一个阻抗，由于走线变化，换层、参考平面的变化、走线拓扑、过孔等原因都会导致传输线的阻抗变化，所以我们通常说的都是瞬时的阻抗。

综上所述，

1、将传输线始端的输入阻抗简称为阻抗

2、将信号随时遇到的及时阻抗称为瞬时阻抗

3、如果传输线具有恒定不变的瞬时阻抗，就称之为传输线的特性阻抗

特性阻抗描述了信号沿传输线传播时所受到的瞬态阻抗，这是影响传输线电路中信号完整性的一个主要因素。如果没有特殊说明，一般用特性阻抗来统称传输线阻抗

简单的来说，传输线阻抗可以用上面的公式来说明，但如果往深里说，我们就要分析信号在传输线中的行为。

当信号沿着一条具有同样横截面的传输线移动时，假定把1V的阶梯波（0V~1V的跳变）加到这条传输线中（如把1V的电池连接到传输线的发送端，电压跨在发送线和回路之间）。

一旦连接，这个电压阶梯波沿着该线以光速传播，它的速度通常约为6英寸/ns。这个信号是发送线路和回路之间的电压差，它可以从发送线路的任何一点和回路的相邻点来衡量。

即：信号与其最相邻的GND。

信号能量在个0.01ns前进了0.06英寸，这时发送线路有多余的正电荷（由电池提供），而回路有多余的负电荷，正是这两种电荷差维持着这两个导体之间的1V电压差，且这两个导体间也形成了一个电容器。

在下一个0.01ns中，又要将下一段0.06英寸传输线的电压从0调整到1V，这必须再加一些正电荷到发送线路，加一些负电荷到接收线路。每移动0.06英寸，必须把更多的正电荷加到发送线路，而把更多的负电荷加到回路。每隔0.01ns，必须对传输线路的另外一段进行充电，然后信号开始沿着这一段传播。电荷来自传输线前端的电池，当信号沿着这条线移动时，就给传输线的连续部分充电，因而在发送线路和回路之间形成了1V的电压差。每前进0.01ns，就从电池中获得一些电荷（±Q），恒定的时间间隔（±t）内从电池中流出的恒定电量（±Q）就是一种恒定电流。流入回路的负电流实际上与流出的正电流相等，而且正好在信号波的前端，交流电流藉由上、下线路组成的电容，结束整个循环过程。

信号传递时，会在传输线内建立一个电场，而这信号传递的速度取决于在信号与回路周围金属材质的电荷充放电与磁场生成速度。

对电池来说，当信号沿着传输线传播，并且每隔0.01ns对连续0.06英寸传输线段进行充电。从电源获得恒定的电流时，传输线看起来像一个阻抗器，并且它的阻抗值恒定，这可称为传输线路的浪涌阻抗（surge impedance）。同样地，当信号沿着线路传播时，在下一步之前（0.01ns之内），把这一步的电压提高到1V所需供应的能量（电流），这就涉及到瞬时阻抗的概念。

如果信号以稳定的速度沿着传输线传播，并且传输线具有相同的横截面，那么在0.01ns中每前进一步需要相同的电荷量，以产生相同的信号电压。此时，信号着这条线前进时，会遭遇同样的瞬时阻抗，这被视为传输线的一种特性，被称为特性阻抗。如果信号在传递过程的每一步的特性阻抗相同，那么该传输线可认为是可控阻抗（controlled impedance）传输线。

瞬时阻抗或特性阻抗，对信号传递质量而言非常重要。在传递过程中，如果下一步的阻抗和上一步的阻抗相等，工作可顺利进行，但若阻抗发生变化（阻抗不匹配），那会出现一些问题。为了达到信号质量，设计目标是在信号传递过程中尽量保持阻抗稳定，首先必须保持传输线特性阻抗的稳定，因此，可控阻抗板的生产变得越来越重要。另外，其它的方法，如余线（stub）长度短化、末端去除和整线使用，也用来保持信号传递中瞬时阻抗的稳定。

PCB上典型的传输线，一是走在表层的，下面有个参考平面，称为微带线。

一个是走在内电层的，两边都有参考平面的，称为带状线。

微带线，由一根带状导线与地平面构成，中间是电介质。如果电介质的介 电常数、线的宽度、及其与地平面的距离是可控的，则它的特性阻抗也是可控的，其精确度将在±5％之内。

带状线就是一条置于两层导电平面之间的电介质中间的铜带。如果线的厚度和宽度，介质的介电常数，以及两层接地平面的距离都是可控的，则线的特性阻抗也是可控的，且精度在10%之内。

审核编辑：何安