特性阻抗到底是什么

歐姆定律的公式：

電阻作為物理概念是一種阻礙電流通過的能力，是一個用來提供“分壓”或 “限流”功能的一個元器件，這個元器件的名稱叫“電阻器”，你們做題時計算的電阻是該電阻器對電流通過的阻礙能力。

我們通過一個具體的電路來分析這三者之間的具體關系，請看下面的一張最簡單的電路圖。這個電路圖只有一個電源一個電阻和一些導線組成。

當然這個電阻的阻值也可以通過用萬用表來直接測量。

特性阻抗就不一樣了，用萬用表是沒法測量的。

這就需要我們從概念上區分電阻（哪怕是剛好是50歐姆的電阻）和特性阻抗是兩碼事。

特性阻抗不是直流電阻，屬于長線傳輸中的概念。在高頻范圍內，信號傳輸過程中，信號沿到達的地方，信號線和參考平面（電源或地平面）間由于電場的建立，會產生一個瞬間電流，如果傳輸線是各向同性的，那么只要信號在傳輸，就始終存在一個電流I，而如果信號的輸出電平為V，在信號傳輸過程中，傳輸線就會等效成一個電阻，大小為V/I，把這個等效的電阻稱為傳輸線的特性阻抗Z。信號在傳輸的過程中，如果傳輸路徑上的特性阻抗發生變化，信號就會在阻抗不連續的結點產生反射。特性阻抗是指在某一頻率下，傳輸信號線中（也就是我們制作的線路板的銅線），相對某一參考層（也就是常說的屏蔽層、影射層或參考層），其高頻信號或電磁波在傳播過程中所受的阻力稱之為特性阻抗，它實際上是電阻抗、電感抗、電容抗等一個矢量總和。

特性阻抗是均勻傳輸線上各點的電壓和電流的比值。特性阻抗受介電常數、介質厚度、線寬等因素影響。

現象類比：運輸線的糟糕路況（類似傳輸線里的特性阻抗）會影響運輸車隊的速度，路越窄，路的阻礙作用越大（特性阻抗大，通過的無線電波能量就?。?；路越寬、路況越好，通過的車隊速度越快（通過的無線電波能量越多）。假若一段路況特別好，另一段路況特別差，從路況好的路段進入差的路段，車隊就需要放慢速度。這就說明兩段路的路況不匹配（阻抗不匹配）。

所以對于非均勻的傳輸線是不能稱之為特性阻抗的，這只能說是“瞬時的阻抗”，因為電路板上面不可能一直保持某一個阻抗，由于走線變化，換層、參考平面的變化、走線拓撲、過孔等原因都會導致傳輸線的阻抗變化，所以我們通常說的都是瞬時的阻抗。

綜上所述，

1、將傳輸線始端的輸入阻抗簡稱為阻抗

2、將信號隨時遇到的及時阻抗稱為瞬時阻抗

3、如果傳輸線具有恒定不變的瞬時阻抗，就稱之為傳輸線的特性阻抗

特性阻抗描述了信號沿傳輸線傳播時所受到的瞬態阻抗，這是影響傳輸線電路中信號完整性的一個主要因素。如果沒有特殊說明，一般用特性阻抗來統稱傳輸線阻抗

簡單的來說，傳輸線阻抗可以用上面的公式來說明，但如果往深里說，我們就要分析信號在傳輸線中的行為。

當信號沿著一條具有同樣橫截面的傳輸線移動時，假定把1V的階梯波（0V~1V的跳變）加到這條傳輸線中（如把1V的電池連接到傳輸線的發送端，電壓跨在發送線和回路之間）。

一旦連接，這個電壓階梯波沿著該線以光速傳播，它的速度通常約為6英寸/ns。這個信號是發送線路和回路之間的電壓差，它可以從發送線路的任何一點和回路的相鄰點來衡量。

即：信號與其最相鄰的GND。

信號能量在個0.01ns前進了0.06英寸，這時發送線路有多余的正電荷（由電池提供），而回路有多余的負電荷，正是這兩種電荷差維持著這兩個導體之間的1V電壓差，且這兩個導體間也形成了一個電容器。

在下一個0.01ns中，又要將下一段0.06英寸傳輸線的電壓從0調整到1V，這必須再加一些正電荷到發送線路，加一些負電荷到接收線路。每移動0.06英寸，必須把更多的正電荷加到發送線路，而把更多的負電荷加到回路。每隔0.01ns，必須對傳輸線路的另外一段進行充電，然后信號開始沿著這一段傳播。電荷來自傳輸線前端的電池，當信號沿著這條線移動時，就給傳輸線的連續部分充電，因而在發送線路和回路之間形成了1V的電壓差。每前進0.01ns，就從電池中獲得一些電荷（±Q），恒定的時間間隔（±t）內從電池中流出的恒定電量（±Q）就是一種恒定電流。流入回路的負電流實際上與流出的正電流相等，而且正好在信號波的前端，交流電流藉由上、下線路組成的電容，結束整個循環過程。

信號傳遞時，會在傳輸線內建立一個電場，而這信號傳遞的速度取決于在信號與回路周圍金屬材質的電荷充放電與磁場生成速度。

對電池來說，當信號沿著傳輸線傳播，并且每隔0.01ns對連續0.06英寸傳輸線段進行充電。從電源獲得恒定的電流時，傳輸線看起來像一個阻抗器，并且它的阻抗值恒定，這可稱為傳輸線路的浪涌阻抗（surge impedance）。同樣地，當信號沿著線路傳播時，在下一步之前（0.01ns之內），把這一步的電壓提高到1V所需供應的能量（電流），這就涉及到瞬時阻抗的概念。

如果信號以穩定的速度沿著傳輸線傳播，并且傳輸線具有相同的橫截面，那么在0.01ns中每前進一步需要相同的電荷量，以產生相同的信號電壓。此時，信號著這條線前進時，會遭遇同樣的瞬時阻抗，這被視為傳輸線的一種特性，被稱為特性阻抗。如果信號在傳遞過程的每一步的特性阻抗相同，那么該傳輸線可認為是可控阻抗（controlled impedance）傳輸線。

瞬時阻抗或特性阻抗，對信號傳遞質量而言非常重要。在傳遞過程中，如果下一步的阻抗和上一步的阻抗相等，工作可順利進行，但若阻抗發生變化（阻抗不匹配），那會出現一些問題。為了達到信號質量，設計目標是在信號傳遞過程中盡量保持阻抗穩定，首先必須保持傳輸線特性阻抗的穩定，因此，可控阻抗板的生產變得越來越重要。另外，其它的方法，如余線（stub）長度短化、末端去除和整線使用，也用來保持信號傳遞中瞬時阻抗的穩定。

PCB上典型的傳輸線，一是走在表層的，下面有個參考平面，稱為微帶線。

一個是走在內電層的，兩邊都有參考平面的，稱為帶狀線。

微帶線，由一根帶狀導線與地平面構成，中間是電介質。如果電介質的介 電常數、線的寬度、及其與地平面的距離是可控的，則它的特性阻抗也是可控的，其精確度將在±5％之內。

帶狀線就是一條置于兩層導電平面之間的電介質中間的銅帶。如果線的厚度和寬度，介質的介電常數，以及兩層接地平面的距離都是可控的，則線的特性阻抗也是可控的，且精度在10%之內。

審核編輯：何安