传输线是一个非常基础的概念，只要是做电子产品的工程师，不管是做数字产品还是微波射频产品，每天都会接触到传输线。

我们把能引导电磁波传递的装置叫做传输线。所以传输线的类型非常多，如下图所示：

常见的传输线有双导体传输线、金属波导以及介质传输线。对于传统的数字电路的工程师而言，大家遇到的大多数是属于双导体传输线，比如微带线、带状线、共面波导线。之所以叫双导体，我们可以从这些传输线的结构看出来，既包含了传输的信号线导体，也包含了参考线导体（或地）以及介质。

实际PCB中的传输线如下图所示：

连接器中也包含各类传输线的结构，如下图所示红色高亮部分为一款SAS连接器中的传输线结构：

传输线还包括如下图所示各式各样的高速线缆：

传输线的等效电路模型如下图所示：

从电路上可以看到，传输线的模型中包含了等效电阻、等效电容、等效电感以及电导。

传输线又分为有损传输线和无损传输线（理想传输线），在日常工程中的传输线全部都是有损传输线。无损传输线仅用于简化一些复杂问题的分析过程，实际是不存在的。理想传输线的电路模型如下图所示：

从理想传输线模型可以看出来，理想传输线只与电感和电容有关系。同样，在使用理想传输线只需要考虑阻抗和延时，如下图所示：

在日常工作中，经常会分析传输线的阻抗、插入损耗、回波损耗、相位、反射系数等等，如果是多传输线系统，还会涉及到串扰、模式转换等等。

理想传输线的阻抗公式可以用如下表达式表示：

Z：传输线阻抗

L：传输线单位电感

C：电容

在工程应用中，可以利用此公式快速地判断问题如何变化。

有损传输线特性就与很多因素有关系，比如其阻抗与传输线的物理结构和材料有关系，如线宽、导体厚度、传输线到参考层的距离、介电参数等等。

与传输线损耗有关的因素就更多了，如果是插入损耗，与之有关的因素包括线宽、线长、导体厚度、传输线到参考层的距离介质损耗角等因素。

在高速电路中系统中，不管是什么样的传输线结构，都希望传输路径是均匀的，且阻抗、损耗、串扰等指标要满足其系统的要求。

传输线是由介质和导线构成的。在PCB上，传输线通常分为微带线和带状线。如下图所示：

为了确保良好的信号完整性，需要保证传输线上每一点的阻抗是一致的。在传输线任何点的特性阻抗变化都会导致信号反射，这样就会造成噪声。但是，在高速PCB中，存在着芯片封装、breakout区域、过孔、分支和其它组件寄生等因素都会导致阻抗失配。在高速设计中，不受控制的阻抗会显著降低电压和时序裕量，以致电路恶化或者无法运行下去。咱们能做的事情是尽量减少阻抗不连续点。

有损传输线电路模型：

传输线的简单模型可以由RLC构成，如下图所示：

通常，把传输线分为有损传输线和无损传输线。显然，在PCB上存在的都是有损传输线。有损传输线可以假定其是由无限多阶RLC构成的一个多级电路。串联电阻表示分布电阻，单位为每单位长度的欧姆 (ohm)。串联电感表示分布环路电感，单位为每单位长度的亨 (H)。分隔两个导体的是介电材料，由每单位长度的电导 G 表示，单位为西门子 (S)。并联电容器以每单位长度的法拉 (F) 为单位表示两个导体之间的分布电容。那么，特性阻抗可以通过以下公式计算：

其中：

Z0是传输线的特性阻抗。

R0是传输线单位长度的串联电阻。

L0是传输线单位长度的环路电感。

G0是传输线单位长度的电导。

C0是传输线单位长度的电容。

无损传输线：

无损传输线与R0和G0无关，所以其阻抗公式为：

无损传输线虽然在实际的工程中不存在，但是也不能无视其存在。无损传输线在很多场合都是非常有意义的。

传播延时：

在高速电路中，我们经常用传输线延时与信号上升时间的大小来作对比，并以此来判断是否为高速信号。

从传输线A传递到B所使用的时间Tpd就是传输线的延时。给定单位长度的电感和电容，信号的传播延时可以由以下等式确定：

其中：

Tpd是以秒/单位长度为单位的传播延时。

L0是传输线每单位长度的环路电感。

C0是传输线每单位长度的电容。

信号以光速在自由空间中传播。所以当信号在导体中传递时，其与传输线介质的介电常数是有关系的。当介质确定时，可以通过下列公式计算传输线的传播延迟：

其中：

Dk是材料的介电常数。

c是自由空间中的光速 ≈ 3.0x8m/s。

真空的介电常数是1。空气的相对介电常数约为1。而PCB介质的介电常数通常都大于1，比如常说的FR4这类型的材料的介电常数约为4。所以空气是一种非常优良的介质。

由此，我们经常使用一个经验公式来计算信号在传输线中的延时或者每1ns在介质中传递的距离是多少。经验公式如下所示：

其中：

Dkeff是介质的相对介电常数

Len的单位是inch(每1ns所对应的长度)

在进行高速电路PCB设计时，经常看到的一个经验数字就是，在PCB上每1ns所对应的长度是6inch，指的就是当PCB使用材料的介电常数是4。但是实际上，这还要区分是微带线、还是带状线，如果是微带线，其相对介电常数是大于1的。

本文转载自《信号完整性》公众号

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