特性阻抗，是我們在進(jìn)行高速電路設計的時(shí)候經(jīng)常會(huì )提到的一個(gè)概念。但是很多人對這個(gè)概念并不理解，有時(shí)還會(huì )錯誤的理解為直流阻抗。弄明白這個(gè)概念對我們更好的進(jìn)行高速電路設計很有必要，高速電路的很多設計規則都和特征阻抗有關(guān)。特征阻抗是對于交流信號(或者說(shuō)高頻信號)來(lái)說(shuō)的。特征阻抗屬于長(cháng)線(xiàn)傳輸中的一個(gè)概念，信號在傳輸線(xiàn)中傳輸的過(guò)程中，在信號到達的一個(gè)點(diǎn)，傳輸線(xiàn)和參考平面之間會(huì )形成電場(chǎng)，由于電場(chǎng)的存在，會(huì )產(chǎn)生一個(gè)瞬間的小電流，這個(gè)小電流在傳輸線(xiàn)中的每一點(diǎn)都存在。同時(shí)信號也存在一定的電壓，這樣在信號傳輸過(guò)程中，傳輸線(xiàn)的每一點(diǎn)就會(huì )等效成一個(gè)電阻，這個(gè)電阻就是我們提到的傳輸線(xiàn)的特征阻抗。 

要理解特征阻抗的概念，我們先要弄清楚什么是傳輸線(xiàn)。簡(jiǎn)單的說(shuō)，傳輸線(xiàn)就是能夠傳輸信號的連接線(xiàn)。電源線(xiàn)，視頻線(xiàn)，USB連接線(xiàn)，PCB板上的走線(xiàn)，都可以稱(chēng)為傳輸線(xiàn)。如果傳輸線(xiàn)上傳輸的信號是低頻信號，假設是1KHz，那么信號的波長(cháng)就是300公里(假設信號速度為光速)，即使傳輸線(xiàn)的長(cháng)度有1米長(cháng)，相對于信號來(lái)說(shuō)還是很短的，對信號來(lái)說(shuō)傳輸線(xiàn)可以看成短路，傳輸線(xiàn)對信號的影響是很小的。但是對于高速信號來(lái)說(shuō)，假設信號頻率提高到300MHz，信號波長(cháng)就減小到1米，這時(shí)候1米的傳輸線(xiàn)和信號的波長(cháng)已經(jīng)完全可以比較，在傳輸線(xiàn)上就會(huì )存在波動(dòng)效應，在傳輸線(xiàn)上的不同點(diǎn)上的電壓電流就會(huì )不同。在這種情況下，我們就不能忽略傳輸線(xiàn)對信號造成的影響。傳輸線(xiàn)相對信號來(lái)說(shuō)就是一段長(cháng)線(xiàn)，我們要用長(cháng)線(xiàn)傳輸里的理論來(lái)解決問(wèn)題。特征阻抗就屬于長(cháng)線(xiàn)傳輸中的一個(gè)概念。信號在傳輸線(xiàn)中傳輸的過(guò)程中，在信號到達的一個(gè)點(diǎn)，傳輸線(xiàn)和參考平面之間會(huì )形成電場(chǎng)，由于電場(chǎng)的存在，會(huì )產(chǎn)生一個(gè)瞬間的小電流，這個(gè)小電流在傳輸線(xiàn)中的每一點(diǎn)都存在。同時(shí)信號也存在一定的電壓，這樣在信號傳輸過(guò)程中，傳輸線(xiàn)的每一點(diǎn)就會(huì )等效成一個(gè)電阻，這個(gè)電阻就是我們提到的傳輸線(xiàn)的特征阻抗。這里一定要區分一個(gè)概念，就是特征阻抗是對于交流信號(或者說(shuō)高頻信號)來(lái)說(shuō)的，對于直流信號，傳輸線(xiàn)有一個(gè)直流阻抗，這個(gè)值可能會(huì )遠小于傳輸線(xiàn)的特征阻抗。一旦傳輸線(xiàn)的特性確定了(線(xiàn)寬，與參考平面的距離等特性)，那么傳輸線(xiàn)的特征阻抗就確定了.

特性阻抗詳解

特性阻抗(ρ)的連續性基本上就取決于分布參數 L0、C0 比值的穩定性，我們都知道歐姆定律：U=RI，其中的 R 就是電阻或者叫電阻負載，單位為歐姆(Ω)。電阻與金屬材料的電阻率 (又稱(chēng)導電系數)有關(guān)，但在高頻信號的傳輸過(guò)程中，我們還需要了解傳輸高頻信號的物理介質(zhì)(比如雙絞線(xiàn)、同軸線(xiàn)、波導)的傳輸特性，它不同于低頻信號，這種傳輸特性與傳輸介質(zhì)的導電材料(例如銅或銀) 、導電系數(電阻率)、幾何形狀(最常見(jiàn)為圓柱形)、分布電感(L0)、分布電容(C0)、絕緣材料(的介電常數)等都有關(guān)系，而低頻信號傳輸時(shí)則往往不考慮這些分布參數和絕緣材料介電常數的影響。

所有的電子線(xiàn)路圖中都用 L 代表電感，C 代表電容器(通常是方形、原片形或圓柱形的元件)。但從微觀(guān)上看，雙絞線(xiàn)其實(shí)就是兩根彼此靠近的圓柱形銅導體，截取一段雙絞線(xiàn)來(lái)深入觀(guān)察和研究，你會(huì )發(fā)現它就是彼此靠近的一對圓柱形銅導體而已。問(wèn)：圓柱形銅導體是不是自身就存在電感和電容呢？答案是：存在。一米雙絞線(xiàn)的每根圓柱形銅芯雖然外形上不是電感器，但本身也存在微量的“體電感”；兩根相互靠近的一米銅導體雖然外形上不是電容器，但兩者之間確實(shí)存在著(zhù)微量的電荷感應(感應系數即為“體電容”)。這些“外形特征”不像，但“身體”中包含著(zhù)的微量電感、電容我們就叫做分布參數(分布電感 L0、分布電容 C0)，特性阻抗(ρ)的連續性或者說(shuō)穩定性其實(shí)基本上取決于分布參數 L0、C0 比值的穩定性

以上圖中的一對“綠色”線(xiàn)對為例，為了分析方便，我們可以把它們等效為圖中左下角的電路。電路中的 L0 就是體電感(分布電感)，C0 就是分布電容，R0 就是這段銅導體的電阻。用來(lái)衡量這些分布參數對信號傳輸有何影響時(shí)，我們會(huì )得出一個(gè)算式比較復雜的相關(guān)性的等效參數，由于這個(gè)參數等效計算的結果正好是以歐姆(Ω)為單位，所以中文把這個(gè)參數譯做“特性阻抗”，有時(shí)簡(jiǎn)稱(chēng)阻抗(即上圖中右上角的計算公式 ρ=……)。這個(gè)特性阻抗參數和歐姆定律中常引用的純電阻完全是兩個(gè)概念，雖然它們計量單位都是歐姆，但此“歐姆”非彼“歐姆”—特性阻抗是薇電阻 R0 暨“分布參數”彼此“感應作用”的一個(gè)等效值，它被用來(lái)簡(jiǎn)要地衡量和描述導體介質(zhì)的傳輸特性，且不隨“均勻”傳輸線(xiàn)的長(cháng)度改變而發(fā)生變化(雖然有時(shí)根據計算的會(huì )需要假設信號傳輸線(xiàn)的長(cháng)度為無(wú)限)，而電阻是與傳輸線(xiàn)的長(cháng)度密切相關(guān)的一個(gè)參數，傳輸線(xiàn)越長(cháng)，電阻值通常也越大。特性阻抗表達式雖然復雜，但隨著(zhù)工作頻率的提高(一般大于 1~2MHz 以后)，其值會(huì )趨于穩定不變。近似地，此穩定值只與(L0/C0)比值平方根值和絕緣材料的介電常數有關(guān)(參見(jiàn)上圖右上角關(guān)于雙絞線(xiàn)特性阻抗的計算公式 ρ=……，其中，d 為銅纜芯線(xiàn)的直徑，D 為兩根芯線(xiàn)的中心間距，?為絕緣塑料的介電常數)。所以，材料不變的情況下，只要傳輸線(xiàn)保持結構均勻(即 d 和 D 保持均勻不變)，其分布參數 L0、C0 就會(huì )保持不變，其比值 L0/C0 也會(huì )保持不變。那么鏈路每“一點(diǎn)”的特性阻抗也會(huì )保持不便(即保持阻抗的連續性)。所以總結下來(lái)就是，特性阻抗是由d, D,Σr 所決定b. 特性阻抗和長(cháng)度無(wú)關(guān),如果測試的頻率大于1MHz,特性阻抗與頻率幾乎無(wú)關(guān).c. 僅減小d, 特性阻抗增加d. 僅減小D, 特性阻抗減小e. 僅減小Σr ,特性阻抗增加.d=中心導體的直徑(m) D=外部導體或覆被的內徑(m)Σr =絕緣材質(zhì)的介電系數。

特性阻抗對線(xiàn)纜小白來(lái)說(shuō)可能不好理解，為了方便大家理解，我們舉一個(gè)類(lèi)比的例子來(lái)加以說(shuō)明。一條道路，如果非常平整，則我們就說(shuō)它的平整度(特性阻抗)很高(亦即阻抗連續性好)。如果出現坑洼不平，我們就說(shuō)他的平整度差(阻抗不連續)。如果前面路斷了(斷頭路)，則車(chē)輛行人只能掉頭回來(lái)(斷頭相當于電纜開(kāi)路，阻抗突變?yōu)闊o(wú)窮大)。如果路面坑洼顛簸得很厲害，則底盤(pán)低的轎車(chē)就會(huì )放棄前行掉頭返回(阻抗突變導致信號產(chǎn)生回波)。由此可以幫助理解：阻抗越連續(平順)，則信號回波越少。反之，回波越大，則阻抗越不連續(路面不平整順)。所以，通過(guò)測量回波，我們就可以了解路面的質(zhì)量(電纜的阻抗連續性)。目前我們雙絞線(xiàn)常見(jiàn)的特性阻抗規格是 100Ω ，一般要求安裝好的鏈路阻抗的波動(dòng)值(即路面的不平整度)不要超過(guò)±10%，相對于特性阻抗 100Ω 規格數據電纜而言，也就是 90Ω~110Ω 是可以接受的。不過(guò)，由于鏈路的每一點(diǎn)其阻抗值在不同頻率和位置都可能是不同的，這為阻抗的精確和方便地測試造成了一定困難，但由于阻抗不連續與“回波”是正相關(guān)的，而回波對信號的破壞作用是顯而易見(jiàn)的，所以從 90 年代后期開(kāi)始，主流標準都不再要求測試阻抗，而是專(zhuān)們測試與阻抗連續性密切正相關(guān)的回波損耗(RL, Return Loss)。雙絞線(xiàn)是一種傳輸線(xiàn)。理論上，“均勻傳輸線(xiàn)”上沿長(cháng)度方向上每一點(diǎn)的分布參數的感應等效值(即特性阻抗 ρ)是不變的，這就前面提到的“阻抗連續性”。例如，一段 100 米的“均勻雙絞線(xiàn)”，其 30 米處的特性阻抗值和 50 米處的特性阻抗值理論上應該是一樣的(都是標準的 100Ω，即分布電感和分布電容、微電阻、絕緣材料等是保持均勻、一致且對稱(chēng)的)。而真實(shí)條件下的雙絞線(xiàn)都不是真正的均勻雙絞線(xiàn)，傳輸線(xiàn)上每點(diǎn)的特性阻抗值會(huì )因為制造誤差、安裝變形等原因可能都是不一樣的，存在著(zhù)一定的波動(dòng)(例如存在 10%的波動(dòng))。這種阻抗不連續的現象是由于傳輸線(xiàn)的加工過(guò)程無(wú)法做到完全保持線(xiàn)對的連續、均勻一致且與周?chē)饘賹w保持結構均勻對稱(chēng)而造成的。如果生產(chǎn)過(guò)程中銅線(xiàn)的直徑和銅線(xiàn)外絕緣層的厚度隨機地發(fā)生微小的變化，那么電磁感應的分布參數值 L0(體電感)和 C0(體電容)就會(huì )發(fā)生微小變化，L0/C0 也會(huì )變化，最終經(jīng)等效公式計算出來(lái)的特性阻抗值就會(huì )發(fā)生變化。例如，30 米處特性阻抗為 103Ω，而 32 米處有可能為 98Ω。類(lèi)似地，同軸線(xiàn)也存在同樣的情況，同軸線(xiàn)中的內導線(xiàn)直徑會(huì )沿著(zhù)長(cháng)度方向發(fā)生微小變化，外導體(圈)的直徑和內外導體之間的絕緣層的厚度也會(huì )發(fā)生微小變化，這樣其特性阻抗值也會(huì )發(fā)生微小變化，所以電磁感應值的分布沿長(cháng)度方向是不連續的，也就是說(shuō)沿長(cháng)度方向的特性阻抗值是不連續的。更常見(jiàn)的是在連接器的地方，例如插座：這里的導體形狀、尺寸、介質(zhì)材料等都會(huì )發(fā)生顯著(zhù)變化，而且是人為設計的顯著(zhù)變化，也是阻抗不連續需要關(guān)注的重點(diǎn)產(chǎn)品和部位。

分布參數只有在傳輸高頻信號時(shí)才產(chǎn)生明顯影響(長(cháng)線(xiàn)理論)，而在低頻信號傳輸時(shí)分布參數的微小變化對信號傳輸的影響是很微弱的(可完全忽略)。例如，用特性阻抗為 75Ω 的同軸線(xiàn)傳輸 4 千赫茲頻率的低頻語(yǔ)音信號(電話(huà))，那么即便是阻抗發(fā)生大幅度突變，同軸線(xiàn)對這種信號的傳輸基本上沒(méi)有影響(相當于短線(xiàn))，但如果這根同軸線(xiàn)中傳輸的是 200MHz 的有線(xiàn)電視信號，則很可能因阻抗不連續(例如跳線(xiàn)使用了特性阻抗為 50Ω 的同軸電纜，在連接插座的地方就有 75Ω-50Ω = 25Ω 的特性阻抗突變)，從而導致電視信號的來(lái)回多次在不同阻抗的電纜中反射，屏幕上的圖像就可能出現嚴重的重影。

阻抗突變是阻抗不連續的一種典型表現，一般發(fā)生在傳輸鏈路上發(fā)生幾何尺寸明顯變化的地方(典型的就是在連接器插頭段、插座等部位)，也發(fā)生在導體材料突變和絕緣介質(zhì)突變的地方(當然，也可能出現在電纜受外力損傷的地方)。用網(wǎng)線(xiàn)舉例說(shuō)明，例如，雙絞線(xiàn)和水晶頭之間的連接點(diǎn)就是一個(gè)阻抗突變點(diǎn) — 因為雙絞線(xiàn)的材質(zhì)、結構和幾何尺寸與水晶頭內金屬片的材質(zhì)、結構和幾何尺寸、絕緣材料等均不同，兩者(可經(jīng)計算得到)的等效阻抗也可能不一樣 —這就會(huì )造成阻抗不連續。再如，雙絞線(xiàn)與模塊(插座)的內部金屬結構、幾何尺寸都不相同，等效阻抗也不一樣，兩者相連接時(shí)就會(huì )在打線(xiàn)的接觸點(diǎn)上出現阻抗突變的現象。同樣地，水晶頭與模塊的接觸點(diǎn)也是典型的阻抗不連續點(diǎn)。

計算機網(wǎng)絡(luò )曾經(jīng)使用的同軸電纜(特性阻抗為 50 歐姆)和有線(xiàn)電視使用的同軸電纜(75 歐姆)特性阻抗不同，兩者前后“誤接”到一起時(shí)也會(huì )發(fā)生阻抗突變，突變點(diǎn)就在連接點(diǎn)處。沿著(zhù)線(xiàn)對向前傳輸的信號在阻抗突變點(diǎn)會(huì )發(fā)生反射，突變越大反射的能量越強，突變越大，反射越強。那么這些回波有什么危害嗎？除了前面提到的同軸電纜阻抗突變會(huì )令電視出現重影外，在數據電纜中，因為千兆以太網(wǎng)信號端口上的每個(gè)線(xiàn)對被設計成既是發(fā)射端口又是接收端口(也就是說(shuō)信號的發(fā)射端口上同時(shí)又“并聯(lián)”了一個(gè)接收信號輸入端口)。這樣一來(lái)反射回來(lái)的信號會(huì )回到信號的這個(gè)接收端，此回波信號與對端傳來(lái)的正常信號會(huì )在此被疊加在一起而被一同接收，致使信號變形、失真，導致識別出錯，丟包率上升?；夭ㄒ彩菍е滦旁氡攘踊挠忠粋€(gè)重要因素(回波在此也相當于一個(gè)干擾噪聲)。

如果傳輸線(xiàn)的末端開(kāi)路，此時(shí)可以認為開(kāi)路點(diǎn)阻抗值變成無(wú)窮大，“相對”突變值也是無(wú)窮大(從 100Ωà+∞Ω，∞是無(wú)窮大的意思)，由于突變的“尺度”太大，則信號傳輸到末端時(shí)會(huì )幾乎全部反射回來(lái)?？偩€(xiàn)在末端一般都有一個(gè)“堵頭”，就是用純電阻連接在開(kāi)路端，全部吸收總線(xiàn)上的電磁波能量，使它們不會(huì )反射回總線(xiàn)中去破壞正常的數據幀波形。

 如果傳輸線(xiàn)的末端短路，此時(shí)可以認為此短路點(diǎn)的阻抗值為“零”(100Ωà0Ω)，“相對”的阻抗突變值也是“尺度”極大，則信號能量傳輸到短路點(diǎn)時(shí)也會(huì )被幾乎全部反射回來(lái)。由此可知，開(kāi)路和短路是阻抗突變的兩個(gè)極端情形，反射回來(lái)的信號能量在此時(shí)此處都是最大的。我們就是利用這點(diǎn)特性來(lái)測量電纜的長(cháng)度和定位開(kāi)路/短路位置。那么，開(kāi)路和短路點(diǎn)誰(shuí)反射能量更大呢？由于兩者都是阻抗極限突變，反射能量都幾乎接近與 100%。

對于特性阻抗為 75 歐姆的同軸線(xiàn)(家用模擬信號電視用的就是這種線(xiàn))，如果在傳輸線(xiàn)的開(kāi)路末端(即暫時(shí)不接電視機的那個(gè)插座上)接上一個(gè) 75 歐姆的純電阻，則模擬有線(xiàn)電視信號傳輸到此末端時(shí)會(huì )被這個(gè)純電阻全部吸收，末端就沒(méi)有信號能量會(huì )被反射回來(lái)，家里其它電視機就不會(huì )有重影出現(注：純數字電視不存在發(fā)射信號重影的影響)。類(lèi)似地，對于 100 歐姆 UTP 電纜(非屏蔽雙絞線(xiàn))，如果在對端的每對線(xiàn)對上各接上一個(gè) 100 歐姆純電阻后，信號能量在對端也會(huì )被全部吸收，不會(huì )有信號能量反射回來(lái)。這種在傳輸線(xiàn)末端接上純電阻的方法是消除信號末端開(kāi)路反射(回波)的一個(gè)重要技術(shù)，我們習慣上也把它稱(chēng)作“終端阻抗匹配”、終端匹配電阻或簡(jiǎn)稱(chēng)“匹配終端”。匹配電阻的阻值必須與傳輸線(xiàn)的特性阻抗值相等，這樣才能將信號能量全部吸收而不反射回去。匹配電阻通常都設計制作在網(wǎng)卡端口內的電路板上。類(lèi)似地，在 120Ω總線(xiàn)的兩端也要各接上一個(gè) 120Ω的外接純電阻，可防止信號在總線(xiàn)內來(lái)回反射(疊加)，避免干擾、破壞正常的總線(xiàn)數據幀的傳輸.

其實(shí)，阻抗匹配的概念并不止于此，如果將兩段均勻的同軸電纜連接起來(lái)，在連接點(diǎn)處如果“加工”工藝視屏高，金屬銜接平順，沒(méi)有出現微觀(guān)結構意義上的阻抗突變現象，則我們也把這兩段同軸線(xiàn)的連接也稱(chēng)作匹配。推而廣之，凡是阻抗連續的連接點(diǎn)我們都說(shuō)它們是“匹配”的。按照這個(gè)思路，我們就知道通常在雙絞線(xiàn)和模塊的連接點(diǎn)處，阻抗是很可能有“失配”現象存在的，一條布線(xiàn)鏈路中的接插件和連接件所在的位置經(jīng)常也是阻抗不連續的位置(或者說(shuō)是阻抗失配的位置)。不連續的原因主要是傳輸線(xiàn)的幾何結構或材質(zhì)(包含絕緣介質(zhì)的材質(zhì))發(fā)生了突變。凡是阻抗不連續點(diǎn)，也“一定是”一個(gè)信號能量的反射點(diǎn)(回波源)。對于產(chǎn)品設計和生產(chǎn)商來(lái)說(shuō)，就是要制作出連接點(diǎn)阻抗盡量平順連續的產(chǎn)品 —模塊、跳線(xiàn)、各種工業(yè)連接器、各種異型非標接插件等等。