特性阻抗到底是什么

歐姆定律的公式：

電阻作為物理概念是一種阻礙電流通過的能力，是一個用來提供“分壓”或 “限流”功能的一個元器件，這個元器件的名稱叫“電阻器”，你們做題時計算的電阻是該電阻器對電流通過的阻礙能力。

我們通過一個具體的電路來分析這三者之間的具體關(guān)系，請看下面的一張最簡單的電路圖。這個電路圖只有一個電源一個電阻和一些導(dǎo)線組成。

當(dāng)然這個電阻的阻值也可以通過用萬用表來直接測量。

特性阻抗就不一樣了，用萬用表是沒法測量的。

這就需要我們從概念上區(qū)分電阻（哪怕是剛好是50歐姆的電阻）和特性阻抗是兩碼事。

特性阻抗不是直流電阻，屬于長線傳輸中的概念。在高頻范圍內(nèi)，信號傳輸過程中，信號沿到達(dá)的地方，信號線和參考平面（電源或地平面）間由于電場的建立，會產(chǎn)生一個瞬間電流，如果傳輸線是各向同性的，那么只要信號在傳輸，就始終存在一個電流I，而如果信號的輸出電平為V，在信號傳輸過程中，傳輸線就會等效成一個電阻，大小為V/I，把這個等效的電阻稱為傳輸線的特性阻抗Z。信號在傳輸?shù)倪^程中，如果傳輸路徑上的特性阻抗發(fā)生變化，信號就會在阻抗不連續(xù)的結(jié)點產(chǎn)生反射。特性阻抗是指在某一頻率下，傳輸信號線中（也就是我們制作的線路板的銅線），相對某一參考層（也就是常說的屏蔽層、影射層或參考層），其高頻信號或電磁波在傳播過程中所受的阻力稱之為特性阻抗，它實際上是電阻抗、電感抗、電容抗等一個矢量總和。

特性阻抗是均勻傳輸線上各點的電壓和電流的比值。特性阻抗受介電常數(shù)、介質(zhì)厚度、線寬等因素影響。

現(xiàn)象類比：運輸線的糟糕路況（類似傳輸線里的特性阻抗）會影響運輸車隊的速度，路越窄，路的阻礙作用越大（特性阻抗大，通過的無線電波能量就小）；路越寬、路況越好，通過的車隊速度越快（通過的無線電波能量越多）。假若一段路況特別好，另一段路況特別差，從路況好的路段進入差的路段，車隊就需要放慢速度。這就說明兩段路的路況不匹配（阻抗不匹配）。

所以對于非均勻的傳輸線是不能稱之為特性阻抗的，這只能說是“瞬時的阻抗”，因為電路板上面不可能一直保持某一個阻抗，由于走線變化，換層、參考平面的變化、走線拓?fù)洹⑦^孔等原因都會導(dǎo)致傳輸線的阻抗變化，所以我們通常說的都是瞬時的阻抗。

綜上所述，

1、將傳輸線始端的輸入阻抗簡稱為阻抗

2、將信號隨時遇到的及時阻抗稱為瞬時阻抗

3、如果傳輸線具有恒定不變的瞬時阻抗，就稱之為傳輸線的特性阻抗

特性阻抗描述了信號沿傳輸線傳播時所受到的瞬態(tài)阻抗，這是影響傳輸線電路中信號完整性的一個主要因素。如果沒有特殊說明，一般用特性阻抗來統(tǒng)稱傳輸線阻抗

簡單的來說，傳輸線阻抗可以用上面的公式來說明，但如果往深里說，我們就要分析信號在傳輸線中的行為。

當(dāng)信號沿著一條具有同樣橫截面的傳輸線移動時，假定把1V的階梯波（0V~1V的跳變）加到這條傳輸線中（如把1V的電池連接到傳輸線的發(fā)送端，電壓跨在發(fā)送線和回路之間）。

一旦連接，這個電壓階梯波沿著該線以光速傳播，它的速度通常約為6英寸/ns。這個信號是發(fā)送線路和回路之間的電壓差，它可以從發(fā)送線路的任何一點和回路的相鄰點來衡量。

即：信號與其最相鄰的GND。

信號能量在個0.01ns前進了0.06英寸，這時發(fā)送線路有多余的正電荷（由電池提供），而回路有多余的負(fù)電荷，正是這兩種電荷差維持著這兩個導(dǎo)體之間的1V電壓差，且這兩個導(dǎo)體間也形成了一個電容器。

在下一個0.01ns中，又要將下一段0.06英寸傳輸線的電壓從0調(diào)整到1V，這必須再加一些正電荷到發(fā)送線路，加一些負(fù)電荷到接收線路。每移動0.06英寸，必須把更多的正電荷加到發(fā)送線路，而把更多的負(fù)電荷加到回路。每隔0.01ns，必須對傳輸線路的另外一段進行充電，然后信號開始沿著這一段傳播。電荷來自傳輸線前端的電池，當(dāng)信號沿著這條線移動時，就給傳輸線的連續(xù)部分充電，因而在發(fā)送線路和回路之間形成了1V的電壓差。每前進0.01ns，就從電池中獲得一些電荷（±Q），恒定的時間間隔（±t）內(nèi)從電池中流出的恒定電量（±Q）就是一種恒定電流。流入回路的負(fù)電流實際上與流出的正電流相等，而且正好在信號波的前端，交流電流藉由上、下線路組成的電容，結(jié)束整個循環(huán)過程。

信號傳遞時，會在傳輸線內(nèi)建立一個電場，而這信號傳遞的速度取決于在信號與回路周圍金屬材質(zhì)的電荷充放電與磁場生成速度。

對電池來說，當(dāng)信號沿著傳輸線傳播，并且每隔0.01ns對連續(xù)0.06英寸傳輸線段進行充電。從電源獲得恒定的電流時，傳輸線看起來像一個阻抗器，并且它的阻抗值恒定，這可稱為傳輸線路的浪涌阻抗（surge impedance）。同樣地，當(dāng)信號沿著線路傳播時，在下一步之前（0.01ns之內(nèi)），把這一步的電壓提高到1V所需供應(yīng)的能量（電流），這就涉及到瞬時阻抗的概念。

如果信號以穩(wěn)定的速度沿著傳輸線傳播，并且傳輸線具有相同的橫截面，那么在0.01ns中每前進一步需要相同的電荷量，以產(chǎn)生相同的信號電壓。此時，信號著這條線前進時，會遭遇同樣的瞬時阻抗，這被視為傳輸線的一種特性，被稱為特性阻抗。如果信號在傳遞過程的每一步的特性阻抗相同，那么該傳輸線可認(rèn)為是可控阻抗（controlled impedance）傳輸線。

瞬時阻抗或特性阻抗，對信號傳遞質(zhì)量而言非常重要。在傳遞過程中，如果下一步的阻抗和上一步的阻抗相等，工作可順利進行，但若阻抗發(fā)生變化（阻抗不匹配），那會出現(xiàn)一些問題。為了達(dá)到信號質(zhì)量，設(shè)計目標(biāo)是在信號傳遞過程中盡量保持阻抗穩(wěn)定，首先必須保持傳輸線特性阻抗的穩(wěn)定，因此，可控阻抗板的生產(chǎn)變得越來越重要。另外，其它的方法，如余線（stub）長度短化、末端去除和整線使用，也用來保持信號傳遞中瞬時阻抗的穩(wěn)定。

PCB上典型的傳輸線，一是走在表層的，下面有個參考平面，稱為微帶線。

一個是走在內(nèi)電層的，兩邊都有參考平面的，稱為帶狀線。

微帶線，由一根帶狀導(dǎo)線與地平面構(gòu)成，中間是電介質(zhì)。如果電介質(zhì)的介 電常數(shù)、線的寬度、及其與地平面的距離是可控的，則它的特性阻抗也是可控的，其精確度將在±5％之內(nèi)。

帶狀線就是一條置于兩層導(dǎo)電平面之間的電介質(zhì)中間的銅帶。如果線的厚度和寬度，介質(zhì)的介電常數(shù)，以及兩層接地平面的距離都是可控的，則線的特性阻抗也是可控的，且精度在10%之內(nèi)。

審核編輯：何安