一文了解特性阻抗

我们常听到的“特性阻抗”究竟是什么?它与通常所说的“阻抗”或“直流电阻”有何区别?虽然“特性阻抗”和“阻抗”都使用[Ω]单位，但它们之间存在什么差异?

接下来，我们将为您解答这些疑问。

特性阻抗表示不消耗电力传输线路的横截面结构

阻抗以“Ω”为单位，表示交流电流流经电阻、电容器或线圈时电流流动的阻力程度。其中阻抗的实部会因电流流动而消耗电力，虚部则不消耗电力，而是将电场与磁场作为能量暂时储存。(参见第一期)

特性阻抗同样采用“Ω”为单位，但不适用于电阻、电感、电容等电子元器件。

Zc值高的线路对应窄水道，Zc值低的线路对应宽水道

图1所示通过电气化表示PCB电路板布线、电缆、波导管等用于信号和电力传送线路(也叫传输线路)的横截面结构。特性阻抗与布线宽度的关系如图2所示：布线宽度增大时特性阻抗降低。此外，从图3可知特性阻抗与信号在布线上的传播速度呈正相关——特性阻抗越高，传输速度越快。注1)

图1(传输路径示例)

图2 特性阻抗与布线宽度的关系(绝缘层厚度0.1mm)

图3 特性阻抗与信号传输速度的关系(绝缘层厚度0.1mm)

若以水道为例，特性阻抗(以下简称Zc)与布线结构的关系更易理解。假设Zc较小的布线为30Ω，Zc较大的布线为50Ω，则30Ω的布线相当于图4(b)，50Ω的布线则对应图5(b)。30Ω布线可类比为图4(a)所示宽水道，50Ω线路则对应图5(a)的窄水道。若设每秒流过的水量恒定，则可知宽阔水道的水流速度慢于狭窄水道，而水道越窄，水流速度越快。

从图2可知，当阻抗Zc较小时，30Ω线路的布线宽度为0.35mm，而50Ω线路仅为0.15mm;当阻抗Zc较大时，布线宽度则变窄。这种规律与水路概念相吻合。此外，根据图3可知，30Ω线路的信号传播速度为1.57m/s，50Ω线路为1.58m/s。这表明布线宽度较大时信号传输时间较短，这与宽水道水流较慢的现象相一致。

图4 宽阔的水道和特性阻抗较小的布线

图5 狭窄水道与高特性阻抗的布线

特性阻抗是指传输线路中电感与电容的比值

那么同轴电缆和微带线等传输线路的特性阻抗又该具体如何计算呢?

有关传输线路的结构及信号传播机制将在第三期详细阐述，但本期可将传输线路视为由大量的小微电容和电感组成的系统。

特性阻抗Z_c由单位长度电容[C]与电感[L]之比计算得出，符合公式(1)，其单位为“Ω”。

由于单位为“Ω”，乍看之下似乎像直流电阻那样消耗电能，但在理想的无损耗传输线路上注1)并不会消耗电能。正如第一期所述，电容器和线圈不具有实数成分，虚数成分仅是暂时储存电场与磁场能量，因此并不会实际消耗电能。

电感与电容的乘积表示信号传输线路上的延迟时间

除特性阻抗外，信号延迟时间也是重要的物理值。图2展示了特性阻抗与信号传播速度的关系，而延迟时间表示为其倒数。真空中的电磁波速度为3×10^8 m/s，因此传播1米距离所需的延迟时间为3.33×10^(-9) [s/m]。在传输线路上，由于绝缘材料的介电常数大于真空，信号传播速度会随介电常数增大而减慢。介电常数影响传输线路的电容特性。传输线路上信号的延迟时间可通过电容与电感的乘积计算，如公式(2)所示。另需说明，信号传播速度由公式(3)得出。

普通微带线的传播延迟为6～7ns/m(参见图6)。该延迟在14cm～17cm布线长度下表现为1ns。对于1Gbps信号，传输1bit数据需耗时1ns，因此14cm～17cm的布线长度差异将导致1bit的信号延迟。若为10Gbps信号，则会产生10bit的信号延迟;即使布线差仅为1.4mm～1.7mm，仍会导致1bit的信号延迟。在设计高速数字电路及微波电路时，延迟时间与特性阻抗同为关键考量要素。

图6 特性阻抗与传播时间的关系(绝缘层厚度0.1mm)

当连接特性阻抗不同的传输线路时会产生反射

特性阻抗在电气学中描述了电缆或PCB电路板上布线的结构特性，除此之外它还有哪些参考意义呢?

特性阻抗的另一重要意义在于连接电缆或线路时需考虑匹配双方特性阻抗。此前曾将特性阻抗比作水道，想象一下在相连不同宽度水道时的情景：当宽水道与窄水道相接时，水流在收窄处受阻，甚至可能引发倒流现象。

图7 连接50Ω与70Ω线路时的信号流动

图8 连接50Ω与30Ω线路时的信号流动

特性阻抗的情况下也会发生完全相同的现象。图7展示了将特性阻抗为50Ω和70Ω的线路相连的实例。特性阻抗为50Ω的线路因布线宽度较大，信号传播速度较慢;而70Ω线路因布线宽度较窄，信号传播速度较快。当这两种线路连接时，信号在变窄处发生反射并逆向流动。这与将不同宽窄水道相连时出现的水流现象完全一致。

那么如图8所示，当连接特性阻抗为50Ω和30Ω时会发生什么情况呢?这相当于将窄水道与宽水道连接，在水道变宽的区域，水流变得顺畅，因此水量减少——同理，信号也会产生负反射波导致信号衰减。

由此可见，当连接特性阻抗不同的线路时，连接处会产生反射波导致信号失真。此外，特性阻抗还需与信号源的输出电阻及负载电阻保持匹配，这一点至关重要。

本期总结

关于特性阻抗的总结如下：

1.它表示传输信号或电力的电缆及电路板上的电气结构，单位为“Ω”。

2.宽幅布线具有较低的特性阻抗，信号传播速度较慢;而窄幅线路则具有较高的特性阻抗，信号传播速度较快。

3.特性阻抗可通过Z_c=√(L⁄C)计算，传播延迟时间则用T_d=√LC计算得出。

4.当连接特性阻抗不同的线路时，会产生反射波导致信号失真。

本次有关特性阻抗的讲解您觉得如何?

在接下来的第三期，我们将深入浅出地解析传输线如何实现信号传输。

注1. 普通同轴电缆及电路板上的布线均具有导体电阻，且绝缘材料会通过微弱电流，因此会消耗少量电力并导致电信号衰减。这种影响在电缆或布线较长、信号频率较高时尤为显著。