特性阻抗的影响因素研究

目录摘要 (2)前言 (4)第一章特征阻抗的基本概念 (5)1.1特征阻抗的定义 (5)1.2特征阻抗定义的解析 (5)1.3特征阻抗的意义 (5)第二章特征阻抗的计算与控制 (6)2.1阻抗控制的定义 (6)2.2影响PCB迹线阻抗的因素 (6)2.3PCB传输线的主要形式 (7)2.4特征阻抗的计算 (9)2.5常用的几种计算模块 (12)第三章研究总结 (15)3.1差分线阻抗的控制 (15)3.2PCB设计前的准备工作 (15)3.3关于介电常数E R的问题 (15)第四章PCB的叠层设计和制作工艺流程（扩展） (17)4.1PCB的叠层设计 (17)4.2PCB制作工艺流程 (18)4.3重要流程的详解 (19)致谢 (21)参考文献 (21)附录 (22)摘要：本文首先介绍了特征阻抗的基本概念和意义；其次阐述了影响特征阻抗的主要因素；接着介绍了如何进行特征阻抗的计算与控制；最后是对此研究的经验总结。

关键词：特征阻抗、概念、计算、总结Abstract:：This paper first introduces the basic concepts and the significance of characteristic impedance; secondly describes the effects of main factors of characteristic impedance; then introduced how to characteristic impedance calculation and control; the last is the summary of experiences in this study.Key words: characteristic impedance, concept, calculation, summary前言随着PCB 信号切换速度不断加快，当今的PCB 设计者需要理解和控制PCB 迹线的阻抗。

影响高频测试的因素一、影响特性阻抗的主要因素即电容与电感间的关系（公式见图）从阻抗公式看影响特性阻抗值的只有外径（外径可以看成和导线间距α相等）、总的绞合系数（λ）、组合绝缘介质的等效相对介电常数（εr）。

而且，Z正比于α和λ，反比于εr。

所以只要控制好了α、λ、εr的值，也就能控制好了Z。

一般来说节距越小Z越小，稳定性也越好，ZC 的波动越小。

1导体外径：绝缘外径越小阻抗越大。

2电容：电容越小发泡度越大同时阻抗也越大；3绝缘外观：绝缘押出不能偏心，同心度控制在90%以上；外观要光滑均匀无杂质，椭圆度在85%以上。

电线押完护套后基本上阻抗是不会再出现变化的，生产过程中的随机缺陷较小时造成的阻抗波动很小，除非在生产过程有过大的外部压力致使发泡线被压伤或压变形。

当较严重的周期性不均匀缺陷时，且相邻点间的距离等于电缆传输信号波长的一半时，在此频率点及其整数倍频率点上将出现显着的尖峰（即突掉现象），这时不但阻抗不过，衰减也过不了。

二、各工序影响衰减的主要因素a衰减＝a金属衰减+a介质材料衰减+a阻抗不均匀时反射引起的附加衰减1.导体：导体外径下公差，电阻增大，影响传输效果及阻抗；所以一般都采用上公差的导体做发泡线。

高频时信号传输会出现集肤效应，信号只是在导体的表面流过，所以要求导体表面要平滑，绞合绝对不能出现跳股现象，单支导体及绞合后的圆整度要好。

导体束绞、绝缘押出及芯线对绞时张力都不能过大，以防拉细导体。

2.绝缘：在绝缘时影响衰减的因素主要有绝缘材料、绝缘线径稳定性、发泡电容值及气泡匀密度、同心度（发泡层及结皮的同心度）、芯线的圆整度。

在测试频率越高时对发泡材料的要求越高，但现在所用的DGDA3485是现在高频线用得最广泛的化学发泡料。

控制绝缘主要有以下几项：A.外径要控制在工艺要求偏差±0.02mm之内；B.发泡要均匀致密，电容要控制在工艺要求偏差±1.0PF之内；C.绝缘外结皮厚度控制在0.05mm以内；D.色母配比不能过大，越少越好，在1.5%左右；E.外观：外观要光滑均匀，无杂质，椭圆度在85%以上。

1，传输线模型由平行双导体构成的引导电磁波结构称为传输线（Transmission Line）。

人们熟知的传输线有平行双导线、同轴线、平行平板波导及其变形——微带线。

低频电路中，传输线负载端、源端的电压、电流差别不大，但在高频电路（传输线长度与电磁波波长相比拟）中两者差别很大。

传输线模型就是用来揭示这种变化的规律的模型。

传输线上的电压、电源是纵向位置的参数。

传输线在电路中相当于一个二端口网络，一个端口连接信号源，通常称为输入端，另一个端口连接负载，称为输出端。

2，传输线的特性阻抗分析特性阻抗：又称“特征阻抗”，它不是直流电阻，属于长线传输中的概念。

在高频范围内，信号传输过程中，信号到达的地方，信号线和参考平面（电源或地平面）间由于电场的建立，会产生一个瞬间电流，如果传输线是各向同性的，那么只要信号在传输，就始终存在一个电流I，而如果信号的输出电平为V，在信号传输过程中，传输线就会等效成一个电阻，大小为V/I，把这个等效的电阻称为传输线的特性阻抗Z。

信号在传输的过程中，如果传输路径上的特性阻抗发生变化，信号就会在阻抗不连续的结点产生反射。

影响特性阻抗的因素有：介电常数、介质厚度、线宽、铜箔厚度。

传输线的基本特性是特性阻抗和信号的传输延迟，在这里，我们主要讨论特性阻抗。

传输线是一个分布参数系统，它的每一段都具有分布电容、电感和电阻。

传输线的分布参数通常用单位长度的电感L和单位长度的电容C以及单位长度上的电阻、电导来表示，它们主要由传输线的几何结构和绝缘介质的特性所决定的。

分布的电容、电感和电阻是传输线本身固有的参数，给定某一种传输线，这些参数的值也就确定了，这些参数反映着传输线的内在因素，它们的存在决定着传输线的一系列重要特性。

一个传输线的微分线段l可以用等效电路描述如下：传输线的等效电路是由无数个微分线段的等效电路串联而成，如下图所示：从传输线的等效电路可知，每一小段线的阻抗都是相等的。

传输线的特性阻抗就是微分线段的特性阻抗。

电线电缆高频性能1.特性阻抗2.衰减3.回波损耗4.VSWR5.串音6.延时7.延时差8.转移阻抗9.屏蔽效应同轴线影响阻抗的因素﹕介电常数﹔绝缘线径﹔导体线径。

1) 介电常数是材料本身固有的﹐不同的材料具有不同的介电常数。

可通过发泡度的大小来改变介电常数的大小﹐即发泡度增大—介电常数减小—阻抗增大﹔发泡度不均匀—介电常数不均匀—阻抗不均匀。

2) 绝缘线径﹕绝缘线径增大—阻抗增大﹔绝缘线径不均匀—阻抗不均匀。

3) 导体线径: 导体线径增大—阻抗减小﹔导体线径不均匀—阻抗不均匀。

设计改善:阻抗偏小,加大线径或加大发泡度工艺改善:水中电容调小,对绞时注意防止芯线变形,同轴编织时注意张力调节等.•对绞线•影响阻抗的因素﹕•介电常数﹔绝缘线径﹔导体线径﹔对绞节距﹔绕包松紧(对屏蔽)﹔成缆节距﹔成缆包带松紧﹔编织的松紧﹔外被的松紧。

•1) 发泡度:发泡度增大—介电常数减小—阻抗增大﹔发泡度不均匀—介电常数不均匀—阻抗不均匀。

•2) 绝缘线径﹕绝缘线径增大—阻抗增大﹔绝缘线径不均匀—阻抗不均匀。

•3) 导体线径: 导体线径减小—阻抗增大。

•4)对绞节距﹕•a)非屏蔽线对﹕对绞节距减小—阻抗减小﹔•b)屏蔽线对﹕对绞节距增大—阻抗减小﹔•5) 绕包﹕绕包张力大—铝箔紧—阻抗小。

•6) 成缆节距(非对屏蔽)﹕成缆节距减小—阻抗减小。

•7) 成缆包带(非对屏蔽) ﹕成缆包带紧—阻抗减小。

•8) 编织的松紧(非对屏蔽) ﹕编织紧—阻抗减小。

•9) 外被的松紧(非对屏蔽) ﹕外被紧—阻抗小。

2. 衰减(Attenuation)衰减表示线路的材料等原因而引起的信号损失线缆的衰减主要由两部份组成﹐一为介质内偶极子受交变电场作用做取向运动引起的介质损耗﹐一为导体上热磁涡流及导体发热引起的能量损失。

单位为“dB/m”α= 10 log ( Pout / Pin ) = 20 log ( Vout / Vin )是指输出端功率（P out）比入射功率（P in），讯号损耗剩下多少。

影响高频测试的因素一、影响特性阻抗的主要因素即电容与电感间的关系（公式见图）从阻抗公式看影响特性阻抗值的只有外径（外径可以看成和导线间距α相等）、总的绞合系数（λ）、组合绝缘介质的等效相对介电常数（εr）。

而且，Z正比于α和λ，反比于εr。

所以只要控制好了α、λ、εr的值，也就能控制好了Z。

一般来说节距越小Z越小，稳定性也越好，ZC 的波动越小。

1绝缘外径：绝缘外径越小阻抗越大。

2电容：电容越小发泡度越大同时阻抗也越大；3绝缘外观：绝缘押出不能偏心，同心度控制在90%以上；外观要光滑均匀无杂质，椭圆度在85%以上。

电线押完护套后基本上阻抗是不会再出现变化的，生产过程中的随机缺陷较小时造成的阻抗波动很小，除非在生产过程有过大的外部压力致使发泡线被压伤或压变形。

当较严重的周期性不均匀缺陷时，且相邻点间的距离等于电缆传输信号波长的一半时，在此频率点及其整数倍频率点上将出现显着的尖峰（即突掉现象），这时不但阻抗不过，衰减也过不了。

二、各工序影响衰减的主要因素a衰减＝a金属衰减+a介质材料衰减+a阻抗不均匀时反射引起的附加衰减1.导体：导体外径下公差，电阻增大，影响传输效果及阻抗；所以一般都采用上公差的导体做发泡线。

高频时信号传输会出现集肤效应，信号只是在导体的表面流过，所以要求导体表面要平滑，绞合绝对不能出现跳股现象，单支导体及绞合后的圆整度要好。

导体束绞、绝缘押出及芯线对绞时张力都不能过大，以防拉细导体。

2.绝缘：在绝缘时影响衰减的因素主要有绝缘材料、绝缘线径稳定性、发泡电容值及气泡匀密度、同心度（发泡层及结皮的同心度）、芯线的圆整度。

在测试频率越高时对发泡材料的要求越高，但现在所用的DGDA3485是现在高频线用得最广泛的化学发泡料。

控制绝缘主要有以下几项：A.外径要控制在工艺要求偏差±0.02mm之内；B.发泡要均匀致密，电容要控制在工艺要求偏差±1.0PF之内；C.绝缘外结皮厚度控制在0.05mm以内；D.色母配比不能过大，越少越好，在1.5%左右；E.外观：外观要光滑均匀，无杂质，椭圆度在85%以上。

.1特性阻抗特性阻抗也称波阻抗，是电缆的二次参数，它描述了电磁波沿均匀线路传播而没有反射时所遇到的阻抗，即线路终端匹配时，线路内任一点的电压波（U）和电流波（I）的比值。

特性阻抗可以用一个复数表示，当电缆线芯的材料、直径、绝缘形式确定后，特性阻抗只随频率的变化而变化。

特性阻抗Zc为回路上任意点电压波和电流波之比并有R、L、G、C分别为对绞回路的电阻、电感、电导、电容，虚部相位角Φ从零开始到频率f ＝800Hz时接近-45°，然后逐渐接近零。

可以看出传播常数和特性阻抗Zc均与电缆的一次参数R、L、G、C有关，TIA/EIA---568---A规定5类缆的特性阻抗为对于局部网布线系统来说，传输媒介具有稳定的阻抗值是很重要的，否则连接器硬件就会和电缆失配。

从而引起信号反射导致传输效率下降，甚至网络无法工作。

对于高频对称电缆，由于频率增加时，集肤效应增加，使内电感减小，而外电感与频率无关，所以随频率的增加，总电感近似于外电感，式中，为等效介电常数；a为绝缘线心外径；d为导体直径由式子可以看出特性阻抗和导体类型和直径，绝缘的类型和厚度有关，在某种程度上也与线对的绞合性能有关（因等效介电常数εr和绞合有关）。

由于一般的标准中都规定了导体的直径d=24（AWG），而且从实际情况中看来，此d值也是最理想值。

这样从上式看来影响特性阻抗的只有外径（外径可以看成和导线间距α相等）、组合绝缘介质的等效相对介电常数（εr）。

而且，Zc正比于α和λ，反比于εr。

所以只要控制好了α、λ、εr的值，也就能控制好。

在实际中常用输入阻抗Zin来表述电缆的特性阻抗。

其定义式中：Z0为终端开路时的阻抗测量值；Zs为终端短路时的阻抗测量值。

3.2 回波损耗回波损耗是数字电缆产品的一项重要指标，回波损耗合并了两种反射的影响，包括对标称阻抗（如：100Ω）的偏差以及结构影响，用于表征链路或信道的性能。

它是由于电缆长度上特性阻抗的不均匀性引起的，归根到底是由于电缆结构的不均匀性所引起的。

阻抗±5%公差影响因素分析与探讨廖辉【摘要】How to ensure that the various signals (especially high-speed signal) integrity, how to ensure the quality of signal transmission, PCB board characteristic impedance control signal line becomes the key, not strictly controlled impedance, will lead to any distortion of the relfected signal transmission signals, resulting in failure design, the paper mainly for impedance control key factors affecting the preliminary analysis and research, in order to ensure the stability of signal transmission, providing control speciifcations and reference;provide a reference for the industry to learn how to achieve impedance control.%如何保证各种信号(特别是高速信号)完整性，如何保证信号传输质量，PCB板控制信号线的特征阻抗匹配成为关键，不严格的阻抗控制，将引发信号传输的失真何信号的反射，导致设计的失败，本文主要针对影响阻抗控制关键因素进行初步分析和研究，为保证信号传输的稳定性，提供控制规范和参考；为业界实现阻抗控制提供一定的参考何借鉴。

【期刊名称】《印制电路信息》【年(卷),期】2014(000)004【总页数】6页(P82-87)【关键词】内层线宽;外层线宽;层压半固化片介厚;铜厚;油墨厚度;阻抗±5%【作者】廖辉【作者单位】深南电路有限公司，广东深圳 518053【正文语种】中文【中图分类】TN411 前言随着PCB应用越来越广泛，电路设计日趋复杂和高速，如何保证各种信号（特别是高速信号）完整性，也就是保证信号质量，成为难题。

环测威官网：/为了兼顾小型化，数字化，高频和多功能等开发要求，PCB（印刷电路板）上的金属线作为电子设备中的互连器件，不仅决定了电流的开放，而且还起到了作用。

信号传输线。

换句话说，在负责传输高频信号和高速数字信号的PCB上实施的电气测试必须一方面确认电路的开启，关闭和快捷方式。

另一方面，还应该确定特征阻抗绝不会超出调节范围。

一句话，电路板永远不会达到要求的一致性，除非满足两个要求。

PCB提供的电路性能必须确保在信号传输过程中不会发生反射; 信号保持整合; 通过实现阻抗匹配来降低传输损耗。

因此，传输信号可以整体，可靠和精确地实现，而没有干扰或噪声。

本文重点介绍具有微带结构的多层板的特性阻抗控制。

表面微带和特性阻抗表面微带具有高特性阻抗，已广泛应用于PCB制造中。

信号平面设置为外层控制阻抗和用于分离信号平面及其相邻基准平面的绝缘材料，这可以在下图中清楚地看到。

特性阻抗可以通过公式计算出来：。

其中Z 0指特征阻抗; ε- [R到绝缘材料的介电常数; h为迹线与基准面之间的绝缘材料厚度; w到痕迹的宽度; t指的是痕迹的厚度。

下图清楚地说明了每个参数的含义。

环测威官网：/基于上面显示的公式，可以得出结论，影响特征阻抗的元素包括：a。

绝缘材料（介电常数ε- [R）;湾绝缘材料的厚度（h）;C。

迹线宽度（w）;d。

痕迹厚度（t）。

可以进一步得出结论，特征阻抗与衬底材料（CCL材料）密切相关。

因此，必须在衬底材料选择中考虑很多因素。

介电常数及其影响当频率低于1MHz时，材料制造商测量材料的介电常数。

由于树脂含量不同，当由不同的制造商生产时，即使相同类型的材料也可能彼此不同。

以环氧玻璃布为例。

环氧玻璃布的介电常数与频率之间的关系可归纳为下图。

显然，介电常数随着频率的提高而下降。

因此，绝缘材料的介电常数应根据材料的工作频率确定，平均值能够满足一般要求。

随着介电常数的增加，信号的传输速度将降低，因此如果要求高信号传输速度，则必须降低介电常数。

印制电路板(PCB)的阻抗控制介绍一：特性阻抗原理：传输线的定义，在国际标准IPC-2141 3.4.4说明其原则“当 信号在导线中传输时，若该导线长度大到信号波长的1/7，则该导线应被视做传输线。

如当某电磁波信号以时钟频率为900MHZ （GSM手机传输频率）在导线中传播时，则如果线路的长度大于：1/7波长=1C/7F=4.76CM 时，该线路就被定义为传输线。

众所周知，直流电路中电流传输时遇到的阻力叫电阻，交流电路中电流遇到的阻力叫阻抗而高频（》400MHZ ）电路中传输信号所遇到的阻力叫特性阻抗，在高频情况下，印制板上的传输信号铜导线可以被视为由一串等效电阻及一并连电感所组合而成的传导线路，而此等效电阻在高频分析时小到可以忽略不记，因此我们在对一个印制板的信号传输进行高频分析时，则只需考虑杂散分布之串联电感及并联电容的效应，我们可以得到以下公式；Z0=R+√L/C √≈√L/C （ Z0为特性阻抗值）关于特性阻抗，有以下几原则：1、 在数字信号在板子上传输时，印制板线路的特性阻抗值必须与头尾元件的电子阻抗匹配，如果不匹配的话，所传送的信号能量将出现反射，散失，衰减，或延误，等现象，从而产生杂信，2、 由于电子元件的电子阻抗越高时，其传输速率才越快，因而电路板的特性阻抗值也要随之提高，才能与之匹配，3、射频通信用的PCB ，除强调 Z0外，有时更加强调板材本身具有低的 Er （介质常数）值及低的Df （介质损耗因子）值。

高频信号在介质中的传输速度为C/ Er,可知：Er 越小，传输速度越快，这也是为何高频要用低介质常数的高频材料。

Df 影响着信号在介质传输过程中的失真，Df 越小，失真越小。

二：特性阻抗的常见形式和计算方法：在线路板的设计中，传输信号最常见的有4种单线布线和2种差分布线方式方式：以上四种单线传输信号布线方式的阻抗计算公式见下；（差分略）1、 微带线：Z 。

=87ln 「5.98H/（0.8W+T ）」Er+1.412、 埋入式微带线Z 。

特征阻抗、阻抗匹配、共轭匹配讲解特征阻抗、阻抗匹配、共轭匹配定义及原理详解如下：1.特征阻抗特征阻抗，也称特性阻抗，是传输线理论中的重要概念。

特征阻抗推导过程见附录1，位置x为传输线的任意处，特征阻抗为位置x处入射波的入射电压和入射电流之比，即：-------------------------------------------------------------公式1.1在公式1.1中，特征阻抗只与传输线单位长度的寄生电阻R、寄生电感L、寄生电导G和寄生电容C有关系，而与位置x无关。

特征阻抗推导过程假设前提是传输线单位长度特性是一样的，且是无限长的。

特征阻抗是瞬时阻抗，是传输线位置为x处在没有反射的情况下瞬时电压和瞬时电流的比值。

而直流阻抗也可以理解为瞬时阻抗，只是其任何时候的瞬时电压和瞬时电流比值都是一样的，但是直流阻抗与传输线位置x是有关系的，位置x越靠近原点，阻抗越大。

若频率w很低，则公式1.1表示的特征阻抗可以等效为：-------------------------------------------------------------公式1.2如果有一根导线无限长，且可等效为无穷个单位长度的寄生电阻R和寄生电导串并的分布式，那求解的阻抗是不是同公式1.2呢？显然不是，电阻是有损耗的，长度越大，等效阻抗越大，损耗越大。

推导过程哪里出问题了？待补充。

若频率w很高,则公式1.1表示的特征阻抗可以等效为：-------------------------------------------------------------公式1.3若传输线可以照公式1.3这样等效，则称为无损传输线。

而特征阻抗概念是针对无损传输线而言，或者近似无损传输线，主要针对无损寄生参数(寄生电感和寄生电容)？万用表测量的是直流阻抗，而非交流阻抗，所以若用万用表测量一个特征阻抗为50ohm的导线，将会发现它是短路的。

国产TDR特性阻抗测试仪在线路板行业中的应用摘要：本文从信号传输完整性角度出发，阐述了特征阻抗在传输线中的重要意义，并在此基础上介绍了时域反射技术在阻抗测试中的基本原理。

同时将国内首次研发的ASIDA TDR阻抗测量仪与国外的特征阻抗测试仪进行了比较，分析性能特征。

关键字：信号完整性、特征阻抗、时域反射技术、TDR阻抗测量仪1.绪论1.1前言随着小型、高频、多功能电子产品的快速发展，特征阻抗作为传输线的重要标志一直是PCB行业关注的对象。

当信号在传输线上传播时，信号感受到的瞬态阻抗值一旦发生变化，就会对信号的完整性造成巨大影响。

因此，用于高频信号传输的PCB线路板，不仅要测量线路的“通”、“断”和“短路”是否符合要求，而且还应对PCB信号传输线的特征阻抗进行测试和控制，保证传输信号的完整性。

在高速电路设计中，信号从驱动源输出，在许多特征阻抗值不同的线路上传输，如果信号感受的阻抗保持不变或变化在接受范围内，那么信号的质量就保持完整；然而，一旦传输过程中的阻抗值发生突变，信号立即会发生失真，影响终端接受数据的正确性。

因此,对线路板特征阻抗值进行检测已经是PCB设计和制造行业发展的一个必然趋势。

1.2国内外TDR技术的发展目前，对于阻抗的测量，时域反射技术是国内外公认控制特性阻抗测试较好的方法。

该方法允许阻抗随信号通道的测试长度的变化而改变，以反射电压的形式表示出阻抗的变化，它不仅可以计算信号通道上的特征阻抗，而且可以对特征阻抗突变位置进行精确定位。

TDR时域反射技术早在60年代就已经提出，经过长期大量的研究，在国外产出了大量基于TDR的特征阻抗测试仪，其中具有代表性的有英国Polar公司生产的CITS500特征阻抗测试仪，美国Tektronix公司生产的TDS8000特征阻抗测试仪和美国Agilent公司生产的TDR2000ATE特征阻抗测试仪。

这些仪器在近几年内垄断了国内PCB阻抗检测领域，经过多年不懈的努力，正业科技协同电子科技大学强强联手，组织科研团队成功研发了基于时域反射技术的ASIDA TDR阻抗测量仪，率先打破了这种垄断格局，在PCB阻抗检测领域中得到了顾客的一致好评。