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PCB特性阻抗跟頻率是否有關(guān)系?

作者:sdxyx    發(fā)布時間:2023-02-17 11:07:09    瀏覽量:

當(dāng)我們提到特性阻抗的時候,通常很少考慮它與頻率的關(guān)系。其原因在于,特性阻抗是傳輸線的一個相當(dāng)穩(wěn)定的屬性,主要和傳輸線的結(jié)構(gòu)也就是橫截面的形狀有關(guān)。從工程的角度來說,把特性阻抗作為一個恒定量是合理的。說實話,搞了這么長時間的SI設(shè)計,還沒碰到需要考慮特性阻抗變化的情況。

 

一般本網(wǎng)站都是介紹SMT加工過程和PCBA板中存在的問題,既然今天要考慮這個問題,那么我們就稍稍深入一下,看看特性阻抗的真實面目。雖然沒有太大的工程應(yīng)用價值,但是對于理解問題還是有好處的。

 

特性阻抗是從理論上分析傳輸線時經(jīng)常提到的一個量,從傳輸線的角度來說,它可以用下面的公式表示Z0=√ ̄(L/C)。

L表示傳輸線的單位長度電感,C為單位長度電容。乍一看,似乎公式中沒有任何變化的量。但是特性阻抗真的是個恒定的量嗎?我們使用Polar軟件對橫截面固定的傳輸線進(jìn)行掃頻計算,頻率范圍定在100MHz~10GHz,來看看場求解器給出的結(jié)果,如下圖:

pcba

 


你可能感到驚訝,特性阻抗隨著頻率的升高變小了,why?阻抗公式中那個量發(fā)生了變化?

 

其實這涉及到電磁學(xué)方面的一個深層次的問題。罪魁禍?zhǔn)资请姼?!電感問題是個很復(fù)雜的問題,對電感的理論計算很繁瑣,有興趣的網(wǎng)友可以找資料看看電感的計算,詳細(xì)的推導(dǎo)過程我就不在這里寫了。簡單的說,導(dǎo)線的電感由兩部分組成:導(dǎo)線的內(nèi)部電感和導(dǎo)線的外部電感。當(dāng)頻率升高時,導(dǎo)線的內(nèi)部電感減小,外部電感不變,總電感減小,因而導(dǎo)致了特性阻抗減小。

 

我們知道,電感的定義是指圍繞在電流周圍的磁力線匝數(shù)。電感隨頻率減小,直覺告訴我們一定是導(dǎo)線中電流分布發(fā)生了變化。到這里我想各位網(wǎng)友應(yīng)該豁然開朗了。趨膚效應(yīng)(skin effect)你一定不會陌生??纯聪旅娴倪@張圖你會有更直觀的感受,這是用二維場求解器仿真出來的高頻時導(dǎo)體中電流的分布。黃色部分是電流所在位置。


當(dāng)頻率升高時,電流向?qū)Ь€表面集中,在導(dǎo)線內(nèi)部電流密度減小,當(dāng)然電感減小。電感的本質(zhì),是圍繞在電流周圍的磁力線匝數(shù),注意“圍繞在電流周圍”這個說法。假設(shè)存在極端情況,導(dǎo)線內(nèi)部電流完全消失,所有的電流集中在導(dǎo)體表面,磁力線當(dāng)然沒法再內(nèi)部去環(huán)繞電流,內(nèi)部電感消失。導(dǎo)線總電感減小,減小的那一部分就是導(dǎo)線的內(nèi)部電感。當(dāng)然這種說法不嚴(yán)謹(jǐn),不過對直觀的理解問題非常有幫助。

pcba


 
結(jié)論:

1、傳輸線的特性阻抗確實和頻率有關(guān),隨著頻率升高,特性阻抗減小,但會逐漸趨于穩(wěn)定。

2、特性阻抗的變化的原因是導(dǎo)線的單位長度電感隨頻率升高而減小。

3、這種特性阻抗的變化很小,在工程應(yīng)用中一般不用考慮它的影響。知道有這個事就是了。

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