PCB板阻抗影响因素研究
摘 要：影响电路板阻抗值的关键参数有：迹线的宽度、迹线的厚度、介质的介电常数、介质的厚度、差分线的间距、覆铜厚度等。在没有场求解器的情况下，文章着重讨论PCB板物理尺寸和介电常数与传输线阻抗值之间的关系及其影响。
关键词：阻抗；PCB；影响因素
1引言
过去系统时钟频率比较低只有数十赫兹，这一时期电路板设计的主要难点就集中在如何在有限面积的电路板上完成所有的信号布线。由于信号互连线不会影响系统性能，所以传输线的电气特性并不十分重要。在这种情况下，对传输线信号来讲互连线是畅通透明的，无阻碍的。但是随着计算机通讯的飞速发展，系统频率大幅度提高，与此同时信号的上升时间迅速缩短（通常来讲，对于数字系统而言，当系统时钟频率超过100MHz或信号上升时间小于1ns时，电路板上的信号传输线就不再是简单的互连线）如果设计不好，将严重影响信号完整性。因此有研究阻抗控制的必要。
2传输线反射
在信号传输的过程中，只有迹线阻抗值Zo与首尾元件的阻抗匹配，传输信号才能完整的到达[1、2]。一旦Zo超出了公差允许的范围，将会产生阻抗突变点，引起多重反射，严重时会误传信号，导致系统紊乱。传输线反射示意图如图1所示。
阻抗与反射系数，以及电压之间存在如公式（1）、（2）所示的关系
反射系数：
（1）
瞬态阻抗：
（2）
在阻抗匹配的情况下，理想情况下无反射；在开路的情况下，负载阻抗为无穷大，反射与入射相等，且反射信号加强了入射信号；短路时，反射等于入射，但极性相反[3、4]。
发生反射时，阻抗变化量与反射系数变化量的关系如公式（3）所示
（3）
从公式可以看出，反射系数的大小与阻抗突变点阻抗变化的大小有直接的关系，因此阻抗匹配的良好程度将直接影响信号传输的质量。
3迹线类型划分
按迹线布局划分就是按照PCB的物理构成差异进行划分。目前PCB的迹线既有处于表层的，也有处于内层的，对于这两种情况，则其迹线参考平面有所不同，因此按PCB迹线布局划分可分为微波传输带（Microstripe）和带状线（Stripeline）传输线 [5]。
微带线：传输线路是由安装在低损耗绝缘体上的控制宽度的可导迹线构成，该类线只有一个参考面。微带线的结构示意图如图2所示。
带状线：传输线路是夹在两个接地层和绝缘材质之间的可导迹线构成，含有两个参考面。带状线的结构示意图如图3所示。
带状线和微带线的不同之处在于带状线有两个参考平面，阻抗迹线在内层，微带线只有一个参考平面，迹线分布在PCB板的表层。阻抗控制模型的建立就是在各迹线类型的基础上进行的。
1.1 介电常数对阻抗的影响
介电常数是介质存储电能性能的重要指标，它是两块金属板之间填充绝缘材料时的电容量与两板之间填充空气或真空时的电容量之比[6]。介电常数表征了电介质的极化程度，以及其对电荷的束缚能力，介电常数越大，对于电荷的束缚能力越强[7]。介电常数计算如公式（4）所示。
（4）
――介电常数
――填充绝缘材料的电容值
――填充空气的电容值
介电常数与传输速度V有关，它将严重影响传输速度的快慢，传输速率将决定传输线导体周围空间电场和磁场建立的快慢[8]，影响电路板性能，传输速度与介电常数的关系如公式（5）所示。
（5）
从公式（5）可得传输速度和介电常数的平方根成反比，即迹线的阻抗与介电常数成反比，在电路板设计过程中选择合适的介电常数，有利于提高电路板的整体性能。
阻抗与填充介质的介电常数的平方根成反比： 。PCB板材若是有半固化片组合的介电常数为各半固化片的算术平均，计算阻抗时使用这一平均值进行计算。
1.2 PCB物理尺寸对阻抗的影响
PCB板中影响阻抗的主要物理尺寸有：介质的厚度、迹线的宽度、迹线的厚度、差分线的间距、覆铜厚度等。
1.2.1 介质厚度对阻抗的影响
对于微带线和带状线两种类型而言，介质厚度与阻抗之间成正比 ，阻抗随着电路板厚度的增大而增加。对电路性能要求比较严格的情况下，板材的厚度误差需要严格控制到一定的范围以内[9]，介质厚度的上下浮动要求在10%以内。在线宽、线厚、介电常数确定的情况下，介质厚度与阻抗的关系曲线示意图如图4所示。
在布线密集的情况下，介质厚度的增加会引起较强的电磁干扰。频率增高时需要降低介质的介电常数，选用低 的板材以弥补介质厚度所造成的杂信和串扰问题。损耗角正切反映电路板能量损耗的多少，电路板发热越多，损耗角正切越大。电路板的热损耗的多少直接影响到电路板的信号完整性、抗干扰、防串扰的能力[10]。
1.2.2 迹线宽度对阻抗的影响
线宽和PCB的其他物理尺寸一样，也是影响阻抗值的一个主要考虑因素，迹线宽度的控制能力受企业生产力的影响。设备好，技术精的企业才能很好的做到线宽的控制。
线宽和阻抗成反比 在线厚、板厚、介电常数确定的情况下，线宽与阻抗的关系曲线示意图如图5所示。
在线宽较窄时，线宽变化引起的阻抗变化较大，因此，若要控制阻抗，则严格控制线宽是其需要考虑的重要因素之一。在一般情况下，线宽偏差的上下浮动在20%以内即可，在对电路板使用有特殊要求的情况下，线宽偏差的上下浮动要控制在10%以内。
1.2.3 迹线厚度对阻抗的影响
和前述两个PCB物理尺寸对阻抗影响的分析一样，迹线厚度T也是影响阻抗的一个重要因素，迹线越厚，阻抗越小。相比于板厚和线宽对阻抗值的影响，迹线厚度对阻抗值的贡献较小，在线宽、板厚、介电常数确定的情况下，迹线厚度与阻抗的关系曲线示意图如图6所示。
在影响迹线阻抗值的几个因素中，介电常数εr是由板材本身的性质决定的；介质厚度H与实际生产有关，由生产决定；迹线宽度由企业的生产能力决定；而迹线厚度受板材本身和生产的过程共同决定。
阻抗控制是依照PCB板按迹线布局的分类，再根据不同的类型计算各个类型相关参数。阻抗控制就是为了反映构成电路板的各要素与传输线特性阻抗间的关系，亦即电路板的物理尺寸和PCB填充介质介电常数与传输线特性阻抗之间的关系。影响电路板阻抗值的关键参数有：迹线的宽度、迹线的厚度、介质的介电常数、介质的厚度、差分线的间距、覆铜
厚度等。在没有场求解器的情况下，论文着重讨论PCB板物理尺寸和介电常数与传输线阻抗值之间的关系及其影响。
参考文献
[1] 刘东宇. 自动阻抗匹配器检测电路设计及匹配算法研究[D].合肥：中国科学技术大学，2010：20-22.
[2] 陈建华.PCB传输线信号完整性及电磁兼容特性研究[D].西安：西安电子科技大学，2010：113-114.
[3] Swaminathan Madhavan，Engin A Ege.power Integrity Modeling and Design forSemiconductors and Systems[M].Prentice Hall PTR，2004：86-88.
[4] 房尚斌.人工微带传输线的研究及其应用[D].苏州：苏州大学，2010：9-9.
[5] Eric Bogatin. Calculating Effective Dielectic Constant[J].PRINTED CIRCUIT DESIGN，2002：28-28.
