一种传输线阻抗匹配设计方法与流程

本发明涉及一种传输线阻抗匹配设计方法。

背景技术：

传输线分为微带线和带状线两种，传统的布线方式为换层时线宽不变，此时传输线阻抗不延续，产生信号的反射及失真，容易导致信号之间的串扰以及电源、地的纹波等不良现象。在高速信号传输中为保持信号稳定，不产生误动作，这就要求所使用的印制板特性阻抗控制精度化的提高，传输线阻抗连续。

例如公开号为cn105653752a所公开的一种数字信号阻抗匹配电路设计方法，根据电路的复杂情况设计电路需要的pcb板层，每一层定义不同的特性；采用的阻抗匹配电路，在仿真系统中设计出其原理图，并激活每个器件之间的输入或输出特性；通过输入不同的阻抗、电容值、电感值以及走线长度值，模拟出不同的匹配效果，但是该方法必须依靠经验提前对传输线的尺寸进行预设，并在仿真平台上进行实验，方法复杂且不具有实用性。

技术实现要素：

为解决上述技术问题，本发明提供了一种传输线阻抗匹配设计方法。

本发明通过以下技术方案得以实现。

本发明提供的一种传输线阻抗匹配设计方法包括以下步骤：

s1、确定微带线尺寸；

s2、计算微带线特性阻抗z0与传输延迟tpd；

s3、根据算出的阻抗值确定带状线阻抗z1与传输延迟tpd1；

s4、根据带状线阻抗z1计算带状线尺寸。

所述微带线阻抗z0、传输延迟tpd计算公式分别为

式中w为微带线宽度、t为微带线厚度、h为介质厚度、εr为介质的介电常数。

所述带状线阻抗z1、传输延迟tpd1计算公式分别为

式中w1为带状线宽度，t1为带状线厚度，h1为导电平面之间厚度，εr为介质的介电常数。

所述微带线阻抗z0与带状线阻抗z1相等。

所述介质为fr-4覆铜板。

所述微带线贴附在介质表面。

所述带状线位于两个导电平面中且带状线被介质包围。

本发明的有益效果在于：使用简单的算法即可达到传输线在印制板表层与内层之间切换时对传输线阻抗的匹配，有效抑制了信号的反射与失真，提升了信号的传输质量。

附图说明

图1是本发明的微带线尺寸示意图；

图2是本发明的带状线尺寸示意图；

图3是本发明的印制板叠层结构图；

图4是传输线信号反射示意图。

具体实施方式

下面进一步描述本发明的技术方案，但要求保护的范围并不局限于所述。

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述。

一种传输线阻抗匹配设计方法包括以下步骤：

s1、确定微带线尺寸；

s2、计算微带线特性阻抗z0与传输延迟tpd；

s3、根据算出的阻抗值确定带状线阻抗z1与传输延迟tpd1；

s4、根据带状线阻抗z1计算带状线尺寸。

微带线阻抗z0、传输延迟tpd计算公式分别为

如图1所示，式中w为微带线宽度、t为微带线厚度、h为介质厚度、εr为介质的介电常数。

带状线阻抗z1、传输延迟tpd1计算公式分别为

如图2所示，式中w1为带状线宽度，t1为带状线厚度，h1为导电平面之间厚度，εr为介质的介电常数。

计算时令微带线阻抗z0与带状线阻抗z1相等，即可保证传输线在印制板表层与内层之间切换时传输线阻抗相等，减少电路信号的失真现象。

介质为fr-4覆铜板，基材普遍是以基板的绝缘部分作分类，常见的原料为电木板、玻璃纤维板，以及各式的塑胶板，而pcb的制造商普遍会以一种以玻璃纤维、不织物料、以及树脂组成的绝缘部分，再以环氧树脂和铜箔压制成“黏合片”(prepreg)使用。

fr-4覆铜板具有较高的机械性能和介电性能，较好的耐热性和耐潮性，并有良好的机械加工性。其电绝缘性能稳定、平整度好、表面光滑、无凹坑、厚度公差标准，适合应用于高性能电子绝缘要求的产品，如fpc补强板、pcb钻孔垫板、玻纤介子、电位器碳膜印刷玻璃纤维板、精密游星齿轮(晶片研磨)、精密测试板材、电气(电器)设备绝缘撑条隔板、绝缘垫板、变压器绝缘板、电机绝缘件、研磨齿轮、电子开关绝缘板等。fr-4环氧玻纤布基板，是以环氧树脂作粘合剂，以电子级玻璃纤维布作增强材料的一类基板。它的粘结片和内芯薄型覆铜板，是制作多层印制电路板的重要基材。

微带线贴附在介质表面，所述带状线位于两个导电平面中且带状线被介质包围。

实施例1：

当传输线从上层微带线向下层带状线传输信号时，如图3所示的一种印制板叠层结构图，图中toplayer层微带线宽w＝0.3mm，t＝0.035mm，εr＝4.2，h＝0.08+0.19+0.08＝0.35mm，计算其特性阻抗传输延迟tpd＝144.41ps/inch，通过孔将其转到sig1图层时，带状线宽w1计算需为0.109mm，特性阻抗z1为74.03ω，可使阻抗连续。

计算过程：带状线其中h1＝0.08+0.19+0.08+0.3-0.035＝0.615mm，εr＝4.2,t1＝0.035mm。

实施例2：

当传输线从下层带状线向上层微带线传输信号时，如图3所示的一种印制板叠层结构图，即当sig2图层上带状线通过过孔转到bomlayer层上的微带线模型时，其中w1＝0.2mm，t1＝0.035mm，εr＝4.2，h1＝0.08+0.19+0.08+0.3-0.035＝0.615mm，计算其带状线特性阻抗z1＝53.07ω,则当其通过过孔转到bomlayer层上时，t＝0.035mm，εr＝4.2，h＝0.08+0.19+0.08＝0.35mm，计算微带线线宽w＝0.593mm时，z0＝53.07ω，可使阻抗匹配连续。

信号在传输线传播时，其路径上的每一步都有对应的瞬态阻抗，如果互连线的阻抗是可控的，那么瞬态阻抗就等于传输线的特性阻抗，无论什么原因使得瞬态阻抗发生了改变，部分信号都将沿着与原传播方向相反的方向反射，而另一部分将继续传播，但幅度有所变化，反射的量由瞬态阻抗的突变量决定。

如图4所示，如果第一个区域的瞬态阻抗是z1,第二个区域的是z2,则反射信号与入射信号的幅值之比为：

式中vreflected：反射电压；vincident：入射电压；zb：信号进入区域2时的瞬态阻抗；za：信号最初所在区域的瞬态阻抗；ρ：反射系数。两个区域的阻抗差异越大,反射信号量越大，产生反射信号是为了协调两个重要的边界条件。信号到达瞬态阻抗不同的两个区域(区域1和2)的交界面时,在信号和返回回路的导体中仅存在一个电压和电流回路,而在交界面两侧的电压和电流都是相同的。边界面处不可能出现电压不连续,否则此处会有一个无限大的电场；也不可能出现电流不连续,否则会有一个无限大的磁场。

为了使整个系统协调稳定,区域1产生了一个反射回源端的电压。反射的唯一目的就是吸收入射信号和传输信号之间不匹配的电压和电流。如此,交界面两侧的电压和电流才可以相等,交界面处的电压和电流才是连续的,整个系统才是平衡的。只要在信号传输路径上出现瞬态阻抗改变,信号就会发生反射，因此本发明在实际应用中通过对传输线变化时的线宽进行调整，有效地避免了瞬态阻抗的变化，使得信号在传输过程中不会出现反射现象。

本发明应用于某工程机械可编程通用控制器pwm输出电路上，实现信号完整性传输，无失真、发射等现象。