Introduction to transmission lines and simulation case analysis

引言

传输线是电信号传输中的重要组件，其性能直接影响电路和系统的整体表现。射频工程、微波工程、电力系统和高速数字电路设计中需要充分考虑传输线的影响。为了分析电信号在传输介质中的传播特性需对传输线进行建模，因此了解传输线的基本原理和特性对设计和优化电路系统至关重要。

一、传输线简介及相关特性

1、基本概念

传输线是用于传输电信号的结构，通常由两根或多根导体组成，这些导体通过绝缘介质相互分隔。当电信号在传输线上传播时，会在导体之间形成电磁场。传输线的关键特性在于它能够传递高频信号，同时维持信号的完整性。

2、传输线的主要类型

同轴电缆（Coaxial)： 同轴电缆由内导体、绝缘层、外导体和外护套组成。其优点包括抗干扰能力强、频率范围宽，适用于射频和微波传输。

微带线(Microstrip)： 微带线是一种在介质基片上制作的传输线，由一条导电带和接地平面组成，之间为介质层。它广泛应用于高频电路设计。

带状线(Stripline)： 与微带线类似，带状线有两个平行的导电带，其信号线在顶部和底部均被阶地层包围，但由基板电介质分隔开，适用于高频和高速电路。

共面波导(Coplanar waveguide)：其信号线由两侧且处于同一水平的接地平面包围。可选地，在信号线下方可以存在由衬底电介质隔开的第三接地平面。

3、传输线主要参数

传输线的主要参数包括特性阻抗、传播常数、反射系数。

特性阻抗（Z0）： 特性阻抗是传输线固有的电阻值，定义为沿传输线传播的电压与电流之比。对于无损传输线，特性阻抗公式为：

其中 L 是每单位长度的电感，C是每单位长度的电容。

传播常数（γ）：传播常数描述信号在传输线上的衰减和相移，表示为：

其中 α是衰减常数，β是相位常数。

反射系数（Γ）：当信号遇到阻抗不匹配时，会发生反射，反射系数定义为：

其中 ZL是负载阻抗。

4、传输线模型

设传输线单位长度的寄生电感、电容、阻抗和导纳分别为：L 、C 、 R、G ，输线的等效电路模型如下：

基于上面的等效电路，由基尔霍夫电压定律可以得到下面两式：

该方程称为电报方程，传输线所有的特性都可以通过电报方程来导出。

二、SIDesigner 仿真案例分析

巨霖产品的模型库中含有多种传输线模型：理想传输线、耦合理想传输线、还有上述提到的传输线类型，并计划增添有损传输线模型，并增添能修改介质的隔离度等复杂功能。

用户可以仿真在pcb设计中传输线长度的影响，当长度超过规范时，是否还符合设计要求，下图为演示案例：

在传输线编辑界面编辑好参数，可以迅速计算该传输线的特征值，搭建原理图：

总长度为1500mil符合要求，验证当长度为1950mil时是否还是符合要求，通过仿真S参数观察，仿真结果如下：

由此可见，SIDesigner在处理PCB设计中的传输线问题时展现了强大的能力。能够帮助用户在设计阶段及时发现潜在问题，提高设计的可靠性和优化效果，为工程师提供了强有力的支持。

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