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使用微带线计算器确定阻抗
使用微带线计算器确定阻抗
无论您是 PCB 设计的新手，还是您的职业生涯已经结束，在 RF 和高速设计中，有时您需要仔细设计微带线和带状线迹线以获得特定的阻抗。这是通过调整线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范围很重要，因为不同的计算器包括对介电特性和信号的特定假设。在使用微带线计算器之前，您需要了解以下内容。
微带线计算器的工作原理
毫无疑问，您已经注意到用于不同走线布置的在线阻抗计算器的数量。各种几何形状和组合的微带线、带状线和传输线都有自己的阻抗公式。这些值通常只是近似值，除非在特定情况下，否则不能被认为是可靠的。
您可以在互联网上找到的微带线计算器都基于两个可能的方程：
IPC 2141 方程：这是由 IPC 根据实验数据确定的微带线阻抗的经验方程。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在 Brian C. Wadell 的传输线设计手册中找到。这本教科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于 1%。
遵守约束
大多数计算器在走线厚度小于介电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，有效介电常数和由此产生的阻抗的常用公式就会失效，无法再使用。并非所有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，许多在线资源错误地将 Wadell 的方程归因于 Rick Hartley，他在 2003 年将它们包含在 PCB 设计演示中。 不管归属如何，计算器中都有一些参数
走线厚度（由铜重量决定）
基板厚度（请咨询您的制造商或层压板供应商以了解不同的选项）
介电常数（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线宽度，或者它会输出您选择的走线宽度的阻抗值。这些计算器使用阻抗来计算走线宽度，或者使用迭代数值技术从阻抗计算走线宽度。
微带线计算器失败的地方
如果您只关心单个频率（例如高频模拟信号）发生的情况，在线阻抗计算器就很好。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线计算器都至少在以下一个方面失败：
您不能在计算器中包括介电损耗
您不能在计算器中包括线路的直流电阻
计算仅在单一频率下有效（即忽略衬底中的色散）
你不能包括铜粗糙度或趋肤效应电阻
所有这些影响都很重要，必须包含在数字信号的微带阻抗计算中。如果使用介电常数和铜粗糙度的真实数据，微带线的实际阻抗将不会是纯电阻；会有一些虚构的部分。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 层板上的实际微带线与您将通过计算器确定的理想微带线的阻抗。通过包括铜粗糙度、介电损耗角正切、直流电阻和趋肤效应，我们可以捕捉真实阻抗与频率的关系。如果我们将 8.7 mil 宽度用于粗微带线，我们将在如下所示的整个 100 MHz 至 20 GHz 频率范围内具有更大的阻抗失配。
设计为 FR4（2116 编织）上 50 欧姆目标阻抗的两个微带线（黑色的粗糙微带线，红色的平滑微带线）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，因为较新的信号标准需要宽带阻抗匹配。您不需要使用微带线计算器，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效介电常数。该参数决定了信号的传播速度，然后可用于确定信号通过微带线所需的时间。这称为线路延迟、传输延迟或传播延迟（取决于您询问的对象）。请注意，因为实际微带线阻抗是频率的复函数，所以传播常数也是频率的函数。