傳輸線和射頻

現實生活中的射頻信號
高頻互連需要特別考慮，因為它們的行為通常不像普通電線，而是傳輸線。

在低頻系統中，組件通過電線或PCB走線連接。 這些導電元件的電阻足夠低，在大多數情況下可以忽略不計。

電路設計和分析的這一方面隨著頻率的增加而發生巨大變化。 根據我們在低頻電路方面的經驗，RF信號不會以我們期望的直接方式沿著電線或PCB走線傳播。

傳輸線
RF互連的行為與傳輸低頻信號的普通電線的行為有很大不同-實際上不同，因此使用了額外的術語：傳輸線是必鬚根據以下要求進行分析的電纜（或簡單地是一對導體）高頻信號傳播的特性。

首先，讓我們澄清兩件事：
電纜與走線
在這種情況下，“電纜”是一個方便但不精確的詞。 同軸電纜無疑是傳輸線的經典示例，但是PCB走線也可以用作傳輸線。 “微帶”傳輸線由走線和附近的接地層組成，如下所示：

“帶狀線”傳輸線由PCB走線和兩個接地層組成：




PCB傳輸線特別重要，因為它們的特性由設計人員直接控制。 當我們購買電纜時，其物理特性是固定的。 我們只是從數據表中收集必要的信息。 在佈置RF PCB時，我們可以根據應用需求輕鬆定制傳輸線的尺寸，進而定制電氣特性。

傳輸線標準
並非每個高頻互連都是傳輸線。 該術語主要是指信號和電纜之間的電氣相互作用，而不是指信號的頻率或電纜的物理特性。 那麼，何時需要將傳輸線效應納入我們的分析呢？

一般的想法是，當線路的長度等於或大於信號的波長時，傳輸線的影響就變得很明顯。 更具體的準則是波長的四分之一：

*如果互連長度小於信號波長的四分之一，則無需進行傳輸線分析。 互連本身不會嚴重影響電路的電氣行為。

*如果互連長度大於信號波長的四分之一，則傳輸線效應會變得很明顯，因此必須考慮互連本身的影響。

回想波長等於傳播速度除以頻率：

如果我們假設傳播速度是光速的0.7倍，則我們具有以下波長：


 

相應的傳輸線閾值如下：


 

因此，對於非常低的頻率，傳輸線的影響可以忽略不計。 對於中頻，僅需特別長的電纜即可。 但是，在1 GHz時，許多PCB跡線必須被視為傳輸線，並且隨著頻率攀升至數十GHz，傳輸線無處不在。

特性阻抗
傳輸線最重要的特性是特性阻抗（用Z0表示）。 總體而言，這是一個非常簡單的概念，但最初可能會引起混亂。

首先，關於術語的註釋：“電阻”是指對任何電流的流動； 它不依賴於頻率。 “阻抗”在交流電路中使用，通常是指頻率相關的電阻。 但是，有時我們使用“阻抗”，而“阻抗”在理論上更合適； 例如，我們可能指的是純電阻電路的“輸出阻抗”。

因此，重要的是要清楚地了解“特徵阻抗”的含義。 它不是電纜內部信號導體的電阻-常見的特徵阻抗為50Ω，而短電纜的50Ω直流電阻將非常高。 這裡有一些要點有助於闡明特性阻抗的性質：

特性阻抗取決於傳輸線的物理特性； 對於同軸電纜，它是內徑（下圖中的D1），外徑（D2）以及內外導體之間絕緣層的相對介電常數的函數。

特性阻抗不是電纜長度的函數。 它存在於電纜的各處，因為它是由電纜的固有電容和電感引起的。

 

在此圖中，各個電感器和電容器用於表示在電纜的整個長度上連續存在的分佈電容和電感。
 

*在實踐中，傳輸線的阻抗與DC無關，但是理論上無限長的傳輸線甚至對直流電源（例如電池）也會表現出其特徵阻抗。 之所以如此，是因為無限長的傳輸線將永久汲取電流，以嘗試為其無限量的分佈式電容充電，並且電池電壓與充電電流之比將等於特性阻抗。

*傳輸線的特性阻抗為純電阻； 沒有引入相移，並且所有信號頻率都以相同的速度傳播。

 *理論上，這僅適用於無損傳輸線，即，傳輸線沿導體的電阻為零，導體之間的電阻為無窮大。 顯然不存在這樣的線路，但是當應用於現實生活中的低損耗傳輸線路時，無損線路分析就足夠準確了。

反思與匹配
傳輸線的阻抗並非旨在像普通電阻器那樣限制電流。 特性阻抗僅僅是由緊密相鄰的兩個導體組成的電纜之間相互作用的必然結果。 在RF設計中，特徵阻抗的重要性在於，設計人員必須匹配阻抗，以防止反射並實現最大功率傳輸。 這將在下一頁中討論。

總結

*當互連線的長度至少為信號波長的四分之一時，則被視為傳輸線。

*同軸電纜通常用作傳輸線，儘管PCB走線也可以達到此目的。 兩條標準的PCB傳輸線是微帶線和帶狀線。

* PCB互連通常較短，因此，直到信號頻率接近1 GHz時，它們才會表現出傳輸線行為。

*傳輸線中電壓與電流之比稱為特性阻抗。 儘管不受長度影響，但它是電纜物理特性的函數，對於理想化（即無損）線，它是純電阻性的。

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