一、什么是传输线？

传输线是指用于引导电磁波传播的物理通道，常见类型包括同轴电缆、微带线、带状线、双绞线、波导等。与低频电路不同，在高频或高速信号环境中，导线不能被简单地视为理想连接，而必须考虑其分布参数模型，即具有电阻、电感、电容和电导的传输线模型。

二、传输线特性之一：特性阻抗

1. 特性阻抗定义

**特性阻抗（Characteristic Impedance，Z₀）**是传输线固有的参数，单位为欧姆（Ω）。它描述的是一段无限长、无反射传输线中电压与电流的比值。

数学表达式如下：

$$Z_0 = \sqrt{\frac{R + j\omega L}{G + j\omega C}}$$Z0=G+jωCR+jωL

在理想情况下（R≈0, G≈0）：

$$Z_0 \approx \sqrt{\frac{L}{C}}$$Z0≈CL

其中，L 为单位长度的电感，C 为单位长度的电容。

2. 常见传输线的特性阻抗

• 决定信号传播速度

• 影响信号反射系数

• 是阻抗匹配设计的关键依据

三、传输线特性之二：信号反射

1. 什么是信号反射？

当传输线末端负载阻抗（Zₗ）与传输线特性阻抗（Z₀）不一致时，信号会在接口处发生反射，反射回原信号源方向。反射现象会引起信号畸变、过冲、下冲、振铃等问题，严重时可能造成数据误码或通信失败。

2. 反射系数公式

$$\Gamma = \frac{Z_L - Z_0}{Z_L + Z_0}$$Γ=ZL+Z0ZL−Z0

其中：

• Γ 为反射系数，范围在 -1 到 +1 之间；

• 若 Γ = 0，表示无反射；

• 若 Γ = ±1，表示完全反射。

3. 反射的实际影响

以数字时钟信号为例，若主板传输线Z₀为50Ω，终端负载为100Ω，则：

$$\Gamma = \frac{100 - 50}{100 + 50} = \frac{50}{150} = 0.33$$Γ=100+50100−50=15050=0.33

这将引起明显反射，可能导致数据误差。

四、传输线特性之三：阻抗匹配

1. 阻抗匹配的目的

阻抗匹配的目的是消除反射，提升能量传输效率和信号完整性。尤其在高速数字或射频设计中，良好的阻抗匹配至关重要。

2. 匹配方式

• 串联终端（Series Termination）：适用于点对点传输，电阻接于源端；

• 并联终端（Parallel Termination）：电阻并接于接收端；

• AC终端：电阻+电容组合，适用于节省功耗场景。

4. 不匹配的后果

• 电磁干扰（EMI）增加

• 信号质量下降，Jitter增加

• 系统误码率上升

• EMI测试难以通过

五、传输线设计中的关键考虑

1. 信号频率与线长的关系

当信号的上升/下降时间接近或小于信号在线上传播时间时，必须按传输线处理。常用经验公式：

$$线长 > \frac{上升时间}{6 × 传播速度} \Rightarrow 必须考虑传输线效应$$线长>6×传播速度上升时间⇒必须考虑传输线效应

2. PCB布线设计技巧

• 保持线宽一致，控制Z₀

• 参考地面层，形成完整回流路径

• 使用差分对走线消除共模干扰

• 避免90°转角，减少反射与辐射

3. 使用仿真工具优化

利用SI仿真工具（如HyperLynx、ADS、HFSS）进行时域反射（TDR）分析、阻抗扫描、反射预测，有助于提前排查信号完整性问题。

六、结语：全面理解，精细设计

传输线的特性阻抗、反射与阻抗匹配是信号完整性设计中不可或缺的核心要素。只有深入理解其物理原理，掌握匹配技巧，并结合工程实践，才能在高速数字系统与射频电路设计中确保高性能与高可靠性。

在当前信息高速传输的发展趋势下，每一位电子工程师都应将传输线知识内化为实际设计能力，以应对未来更复杂的电子系统挑战。