PCB材料在印刷电路阻抗中的作用

用于高速和高频应用的印刷电路依赖于性能优良的传输线进行信号传输。这些应用中最常用的三种传输在线技术是微带、带状线和接地共面波导(GCPW)传输线。理想情况下，通过这些传输线的损耗是最小的，这就要求电阻抗是一致的，没有中断，并且具有最适合通过电路传输的信号类型的值。电路标称阻抗的变化会导致插入损耗增加、回波损耗增加、辐射能量增加、信号完整性(SI)降低和上升时间降低。许多因素会影响PCB的阻抗，包括电路和电路材料的物理和电气特性，但通过审查和更好地了解这些变量，可以将其影响降到最低。

几种不同类型的阻抗与高速高频PCB传输线有关，包括波阻抗、输入阻抗、特性阻抗和频率相关阻抗。例如，对于射频/微波电路，特性阻抗为50 Ω通常用于低损耗性能。特征阻抗Z₀电路的电压可以定义为在不受电路中任何其他波干扰的情况下向一个方向传播的波的电压与电流之比。用数学术语来说，它很简单

Z₀= V (x) / (x)

其中V(x)是电压，I(x)是电流。为了考虑高频/高速电路所需的电感(L)和电容(C)的影响，微带的特性阻抗可以由电感除以电容的平方根来确定:

Z₀=(信用证)^0.5

式中，C是电路衬底介电常数(Dk)与信号平面与地平面之间的面积除以衬底厚度的乘积的函数，即C = (Dk面积)/厚度。对于较厚的衬底，电容减小，阻抗增大。较低的电容对电流所需的电子流动的支持较少。对于更薄的衬底或具有更高Dk的衬底，电容增加，阻抗减小，以支持更大的电流。更宽的导体会增加面积，达到同样的效果。

阻抗的这种关系，即电感和电容的关系，是无损的，与频率无关。为了考虑复杂电路(如差动电路)中大量的电感和电容，可以使用一种更全面的关系。这个关系是频率相关的，并且包括导体损耗和介电损耗:

Z₀= [(R + jωL)/(G + jωC)]^0.5

在哪里

ω = 2πf为角频率;
G与介电损耗有关;和
R与导体损耗有关。

电感和电容对电路的阻抗有相反的影响。电感的增加会引起阻抗的增加，而电容的增加会导致阻抗的减少。例如，在50-Ω系统中，阻抗变化可能一次达到45 Ω，另一次达到55 Ω，阻抗的下降可能是由于电容的增加，而阻抗的上升可能是电感增加的结果。

传输线的物理特性会影响电容和阻抗，进而影响电路阻抗。导体越窄，电感越大，阻抗越大。导体越宽，电容越大，阻抗越小。

在高速/高频电路中，阻抗的突然变化或差异对保持高性能是有问题的。这种变化可以发生在任何传输在线连接处，例如在同轴连接器和PCB馈电点之间。阻抗的变化会引起射频/微波信号或高速数字信号反射回信号源。这导致较少的能量传递到负载，以及与反射能量干扰传播正向能量从源到负载。

跟踪传输线

对于高速/高频电路，理想的信号路径在整个过程中保持相同的阻抗，例如50-Ω特性阻抗，并且沿路径的能量损失最小。这些信号路径大多使用微带、带状线或GCPW，它们可以集成到复杂的多层电路中。虽然场求解技术通常提供更准确的结果，但可以用封闭形式的方程来确定这些电路结构的阻抗。

例如，确定微带阻抗的封闭形式方程为

Z₀= [87/(Dk +1.41)]^0.5{ln[5.98H/(0.8W + T)]}

在哪里

H为介电基板的厚度;
W为输电线路宽度;和
T为传输线铜层厚度。

为了简化计算，可以从罗杰斯公司技术支持中心免费下载MWI-2017阻抗建模软件。www.rogerscorp.com/techub

带状线传输线阻抗的计算方法与微带相似:

Z₀= [60 / (Dk)^0.5{ln [1.9B/(0.8W + T)]}

在哪里

B为介电基板从接地面到接地面的厚度;
T为带状线导体的厚度;和
W是带状线导体的宽度。

GCPW比微带线或带状线更复杂，相应的，用于预测阻抗的封闭形式方程也更复杂。但是，免费的MWI-2017软件提供了一种快速而直接的方法来执行基于已证明的封闭形式方程的计算。

探究差异

高速/高频电路的物理特性在决定PCB阻抗方面起着重要作用，因为衬底厚度、铜导体厚度和导体宽度的差异导致了这些电路中阻抗的差异。为了探究这些参数差异的影响，我们采用a - c制备了各种微带测试电路

20密尔厚的衬底，2密尔厚的铜和43密尔宽的导体(50.07 Ω特性阻抗)作为基线。另一种衬底的介电常数(Dk)略低，一种有1密尔厚的铜导体，一种有18密尔厚的衬底，一种有42密尔宽的导体，以探索物理参数的变化会对每种情况下的阻抗产生什么影响。较薄的衬底显示出明显较低的阻抗，使用较低Dk的电路材料导致阻抗差异最小，较薄的铜导体只提供略低的阻抗，较窄的导体也只导致略低的阻抗。

铜导体表面粗糙度是另一个PCB参数，尽管在分析阻抗的不同电路变量时并不总是考虑它。光滑的铜导体表面比粗糙表面的铜导体表现出更低的导体损耗，但它们是如何影响阻抗的?首先，粗糙的铜表面会减慢波在电路中的传播速度。慢波被电路感知为更高的有效Dk，即使电路材料本身的Dk没有改变。

很明显，许多变量会影响高速/高频电路的阻抗，包括衬底厚度、铜厚度、导体宽度和Dk。许多其他因素会影响PCB阻抗。例如，由于水具有很高的Dk，因此吸收的水分可以降低微带线的阻抗。具有高吸湿性的电路衬底材料会对阻抗产生这些影响，特别是在高相对湿度(RH)的条件下。本博客基于作者John Coonrod将于9月13日在PCB West Conference & Exhibition上发表的演讲^th．本演讲将提供有关影响PCB阻抗的变量的额外信息。

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