传输线模型与分析-完整版
PCB中的传输线理论
PCB中的传输线理论 PCB板上的信号传输速率越来越高，PCB走线已经表现出传输线的性质.在集总电路中视为短路线的连线上，在同一时刻的不同位置的电流电压已经不同，所以集总参数在这时已经不起作用了，必须采用分布参数传输线理论来处理(注：如果线长度大于信号传输有效长度的1/6(1/4)，那么我们就看做是一个分布式系统）。传输线的模型可以用图1表示： 单根传输线模型 如果是理想的无损传输线，这没有G 和 R。当然这也在现实中不存在的理想状况。所以，我们以下的考虑都是有损传输线。 对于图传输线的性质可以用电报方程来表达,电报方程如下： dU/dz = ( R + jwL) I dI/dz = ( G +jwC) U 电报方程的解为： 通解中的 由于R, G 远小于 jwL、jwC，所以通常所说的阻抗是指： 从通解中可以看到传输线上的任意一点的电压和电流都是入射波和反射波的叠加，传输因此传输线上任意一点的输入阻抗值都是时间、位置、终端匹配的函数，再使用输入阻抗来研究传输线已经失去意义了，所以引入了特征阻抗、行波系数、反射系数的概念描述传输线。 特征阻抗的物理意义就是：入射波的电压和入射波的电流的比值，或反射波的电压和反射波电流的比值。 电磁波在介质的中的传输速度只与介质的介电常数或等效介电常数有关。 根据经验：FR4内层带状线的传输速度为180ps/inch，表层微带线的传输速度为 140~180ps/inch。 PCB常见的传输线主要有以下几种： 1.1.1 微带线（Microstrip)
式中: w－－导线宽度 t －－导线厚度 h－－介质厚度适用范围： w/h 的比值在0.1~1.0之间； 相对介电常数在1~15之间； 地线宽度大于信号线宽度7倍以上。 1.1.2 嵌入式微带线（Embedded Microstrip) 式中： w－－导线宽度 t－－导线厚度 h－－介质厚度适用范围： w/h 的比值在0.1~1.0之间； 相对介电常数在1~15之间； 地线宽度大于信号线宽度7倍以上。 1.1.3 差分线(Differential Pair)
HSPICE中传输线模型的结构及参量控制
产品名称Product name 密级Confidentiality level 技术资料内部公开产品版本Product version 1.0 Total 9pages 共9页HSPICE中传输线模型的结构及参量控制 (仅供内部使用） For internal use only 拟制: Prepared by 王晓东 日期： Date 2003-08-30 审核: Reviewed by 日期： Date yyyy-mm-dd 审核: Reviewed by 日期： Date yyyy-mm-dd 批准: Granted by 日期： Date yyyy-mm-dd 华为技术有限公司 Huawei Technologies Co., Ltd. 版权所有侵权必究 All rights reserved
修订记录Revision record 日期Date 修订版本 Revision version 修改描述 change Description 作者 Author 2003-08-30 1.01 初稿完成王晓东
目录Table of Contents HSPICE中传输线模型的结构及参量控制 (4) 1内容概述 (4) 2传输线HSPICE模型的结构 (4) 3传输线模型的提取 (6) 3.1传输线模型的提出过程 (6) 3.2传输线模型的提取网表 (7) 3.3传输线提取网表中的参数控制 (8) 3.3.1参数conductivity (8) 3.3.2参数computeX (8) 4参数控制在实际仿真中应用 (8)
及参量控制 中传输线模型的结构及参量控制 HSPICE中传输线模型的结构 HSPICE 传输线 传输线 模型 关键词：HSPICE 传输线 摘要：重点讲述了在HSPICE仿真中，传输线模型的引用方法及传输线模型的结构，同时对于传输线提取过程中的参量进行了分析，对于不同仿真过程中参数的提取提供了依据。 1内容概述 在我们HSPICE仿真的传输线模型的引用中，我们一般的作法都是在手册提供的DEMO的基础上，进行了层结构的改动，并没有理会其他的一些控制参量是否有意义，我们所提供的参量是否完备等问题，所以所有的传输线模型都是千篇一律，对于AC、DC、瞬态分析，不管频率为多少，都使用了同样的模型，在一定的程度上浪费了系统的资源，同时也因为对于参数没有准确的控制，增加了仿真的误差。 此文就是将传输线模型提取中的各个参量进行描述，以便根据具体的仿真情况进行参量的控制，简化模型，达到合理利用资源的目的，同时根据在仿真中的摸索，给出了手册DEMO中没有的控制参量及其对传输线模型的影响，最后，对传输线模型的提取步骤及方法进行了描述，同过此描述可以理解HSPICE在传输线仿真中的使用场合和其仿真的局限性。 2传输线HSPICE模型的结构 在HSPICE中，传输线模型的结构如下所示： *SYSTEM_NAME : h26twodif * * ------------------------------------ Z = 0.00066548 * //// Top Ground Plane ////////////// * ------------------------------------ Z = 0.0006477 * die H = 0.00019304 * ------------------------------------ Z = 0.00045466 * die H = 0.00024384 * ------------------------------------ Z = 0.00021082 * die H = 0.00019304 * ------------------------------------ Z = 1.778e-05 * //// Bottom Ground Plane ///////////
传输线原理
第一章. 传输线理论 一、典型的分布参数系统—传输线。 在一般的电路分析中，所涉及的网络都是集总参数的，即所谓的集总参数系统。电路的所有参数，如阻抗、容抗、感抗都集中于空间的各个点上，即各个元件上。各点之间的信号是瞬间传递的。集总参数系统是一种理想化的模型。它的基本特征可归纳为： <1>. 电参数都集中在电路元件上。 <2> . 元件之间连线的长短对信号本身的特性没有影响，即信号在传输过程中无畸 变, 信号传输不需要时间。 <3>. 系统中各点的电压或电流均是时间且只是时间的函数。 集总参数系统是实际情况的一种理想化近似。实际的情况是各种参数分布于电路所在空间的各处，当这种分散性造成的信号延迟时间与信号本身的变化时间相比已不能忽略的时侯，就不能再用理想化的模型来描述网络。这时，信号是以电磁波的速度在信号通道上传输，信号通道(或者说是信号的连线)是带有电阻、电容、电感的复杂网络，是一个典型的分布参数系统。 任何一个电子学系统中，都不可避免地要使用大量连接线，有的连接线很短，只有几厘米，有的连接线很长，有几米、几十米甚至上百米。在这样长的连接线上，信号从始端(信号源所在处)传到终端(负载所在处)需要一定的时间，实验和电动力学的理论都证明了以空气为绝缘介质 米/秒，也就是0.3米/ns。假设有5米的均匀导体，电信号的传输速度可以接近光速即3108 长的导线，信号从始端传到终端需要17ns时间，换句话说，终端信号相对于始端有17ns的延迟。这段时间相对于微秒或更低速度的系统是无关大局的，但对于毫微秒(ns)量级的高速电路就不能等闲视之了。高速门电路(如74FTTL系列数字集成电路)的每级平均延迟时间可以小到几个ns，这时由上述连接线产生的延迟就不可再忽略。而速度更高的ECL数字集成电路，其典型延迟时间为1～2 ns(ECL 10K系列)，甚至只有300～500 ps(ECLinPS系列)。在这样的高速电路系统中，印刷电路板上的连线延迟也都不可再忽略。问题还不止于此，从以后的分析中我们将看到当高速变化的信号在电路连线中传输时，若终端和始端的出现阻抗失配现象，则会出现电磁波的反射，使信号波形严重畸变，并且引起一些有害的干扰脉冲，影响整个系统的正常工作，所以在高速电路设计中，信号传输问题必须予以慎重考虑。这时，电路连线应作为分布参数系统来对待。 另一方面我们也经常利用某一长度的连线，如:同轴电缆线，来产生所要求的固定延迟，或利用终端开路或短路的连线来成形脉冲，以得到宽度符合要求的窄脉冲。 在电路分析中，对于那些必须考虑信号传输的连接线，我们称之谓传输线。由于传输线的一个基本特征是信号在其上的传输需要时间，因而人们也常常将传输线称之为延迟线。作为一个分布参数系统，传输线的基本特征可以归纳为: <1>. 电参数分布在其占据的所有空间位置上。
PSPICE中的传输线模型介绍
APPLICATION NOTE
Introduction Transmission lines are used to propagate digital and analog signals, and as frequency domain components in microwave design. Transmission lines are used for varied applications, including: ?Power transmission line ?Telephone lines ?Traces on Printed Circuit Boards ?Traces on Multi-Chip Modules ?Traces on Integrated Circuit Packages Cadence? PSpice? contains distributed and lumped lossy transmission lines that can help to improve the reliability of many applications. For analog and digital circuits, there is a need to examine signal quality for a printed circuit board and cables in a system. For analog circuits, the frequency response of circuits with transmission lines can be analyzed. It is the purpose of this article to examine the steps and issues involved in modeling and analyzing transmission lines in PSpice. Applications Flowchart The analysis of transmission line nets requires multiple steps. These steps are given in the following flowchart: Figure 1. Analysis flowchart for transmission line nets. This article provides information for the two center blocks, by discussing relevant devices and models in PSpice, along with specific modeling techniques and examples.
均匀传输线的分布参数计算
均匀传输线的分布参数计算 0 引言 传输线作为一种输送能量和传递信号的装置，由于其应用十分广泛而成为了很有意义的研究对象。在长距离输电线路、远距离通信线路、高频测量线路、计算机信号传输以及高速数控系统中均应该考虑线路参数的分布性。[1] 均匀传输线模型是电路、电磁场理论中重要而又简单的简化模型。典型的均匀传输线是由在均匀媒质中放置的两根平行直导线构成的。常见的有平行双板、同轴线、和平行双线等。当然，实际中并不存在真实的均匀线，架空线的支架、导线自身的重力都会使传输线不均匀。为了简化问题，需要忽略这些次要因素。 以平行双线为例。假设传输线是均匀的，即两导体间的距离、截面形状以及介质的电磁特性沿着整个长线保持不变，单位长度的线路电阻和电感分别为0R 和0L ，单位长度的线间电容和电导分别为0C 和0G ，如图1所示。传输线最左端为起点，即0x =，选取距平行双线起点为x 的一小段x ?进行研究。虽然传输线本质上是一个分布参数系统，但可以采用一个长度为x ?的集中参数模型来描述。显然，x ?越小就越接近传输线的实际情况 当0x ?→时，该模型就逼近真实的分布参数系统。[2] 根据基尔霍夫定律，可以得到电报方程，它是均匀传输线上关于电压、电流的偏微分方程组。 00 00i R i L t u x i G u x u C t ??-=??????-=????+???+ 方程表明，电流在传输线上连续分布的电阻中引起电压降，并在导线周围 产生磁场，即沿线有电感的存在，变化的电流沿线产生电感电压降，所以，导线间的电压连续变化；又由于导线间存在电容，导线间存在电容电流，导线间的非理想电介质存在漏电导，所以还有电导电流，所以沿线的电流也连续变化。 图1 有损均匀传输线及其等效模型
差分微带天线设计及其传输线模型研究
差分微带天线设计及其传输线模型研究 【摘要】：无线通信技术的迅猛发展,促进了全集成射频前端产品的需要。集成射频前端通常采用差分技术实现,作为射频前端的关键部件之一,大多数天线设计为单端口器件,差分天线改变了传统天线的设计方法,直接把差分信号馈入到天线的两个端口,为设计高集成的射频前端提供了新的途径。与当前无线通讯设备的发展趋势相适应,天线越来越多的与其他通信设备集成在一起,而为了保证无线通讯系统的稳定运行,必须考虑电磁兼容的问题,考虑天线的辐射影响,这就需要对天线进行数值分析。天线数值分析就是是求解天线在其周围空间建立的电磁场。分析天线的方法有三种：传输线法、空腔模型和积分方程法,而其中传输线法最为简单,在工程上也常用传输线法来解决问题,利用传输线理论建立天线的传输线模型,能够从天线辐射的物理意义上了解其基本的电参数。本文主要研究了单频段差分微带天线和层叠式小型化差分双频微带天线的传输线模型。论文的主要内容分为以下几个部分：首先,介绍了差分微带天线和传输线模型的研究现状、表征天线性能的几个重要参数,及微带天线常用分析方法。其次,提出了一种小型化单频段差分微带天线。在微带贴片对称的位置上开了两个凹型槽,改变了贴片电流的路径,增加了电流的有效路径,等效加长了贴片的长度,实现了天线的小型化。天线采用同轴探针馈电,工作在2.39GHz。最后,设计了工作在2.4GHz和5.2GHz的层叠式小型化差分双频微带天线,并建立了其传输线模型。差分双频微带天线的半波
长辐射贴片分布在上、下两层介质基板上,通过垂直过孔连接上、下层贴片,实现了微带天线小型化的目的；差分双频微带天线的上层贴片尺寸决定高频,上层贴片与下层贴片尺寸共同决定低频,实现了双频段谐振。传输线模型中将每段贴片都等效为一段传输线,传输线开路端等效为辐射缝隙,连接层叠贴片的过孔等效成并联的电阻、电容、电感。重点计算了上下层贴片之间的电磁耦合,导出了过孔的导纳计算公式。为了进一步验证了传输线模型的有效性,设计了工作在3.5GHz和5.8GHz的差分双频微带天线,仿真结果与计算结果基本吻合。【关键词】：差分天线微带天线传输线模型耦合 【学位授予单位】：山西大学 【学位级别】：硕士 【学位授予年份】：2013 【分类号】：TN822 【目录】：中文摘要8-9ABSTRACT9-12第一章绪论12-201.1课题研究的背景及意义121.2国内外研究现状12-141.3本文的研究内容和主要贡献14-15参考文献15-20第二章微带天线基础理论20-282.1引言202.2微带天线的基本参数20-232.2.1输入阻抗202.2.2回波损耗20-212.2.3频带宽度212.2.4辐射方向图21-222.2.5效率22-232.2.6增益232.3微带天线的分析方法23-272.3.1传输线法23-252.3.2腔模理
场线耦合综述
场线耦合综述 在电气或电子系统中，电缆或导线用于联接不同的系统，并实现系统之间能量与信息的有效传输。随着数字设备和集成电路的广泛应用，电子设备或系统对雷电或开关操作等原因所引起的瞬态电磁场特别敏感，空间电磁场通过电缆的电磁耦合作用产生的电磁干扰一直受到人们的广泛关注[1]。 导线对估算外界空间电磁场干扰源与系统之间的相互作用起十分重要的因素，在实际工作中有很多电磁干扰是通过电磁场对导线的耦合途径发生的。根据统计资料，在飞机上有20%的电磁干扰是由电磁辐射引起的，有60%的干扰是经由导线耦合发生的。于是场线的耦合的研究有极其重要的意义[2]。 当电磁波照射到传输线上时，将出现场到线的耦合问题。沿线引起的分布小电压源分为共模（CM）和异模（DM）分量，产生对应的共模电流和异模电流。共模电流是指两导线时振幅相差很小而相位相同的电流，异模电流是指两导线上振幅相等而相位相反的电流。共模也称为天线模、对称模或偶模，异模也称为传输线模、反对称模或奇模。只有传输线模在端接阻抗中流动，天线模在传输线两个终端为零。所以如果希望得到线上负载响应方面的情况，传输线模型的解能够提供精确的结果，天线模型电流在终端附近的响应是很小的[3]。 目前对于场线耦合分析，采用的方法主要分为直接基于Maxwell 方程的时域有限差分和基于传输线模型两类。前者是从Maxwell方程出发直接求解电缆系统边值问题。这类方法在理论上是严格的，但是在实际应用中对计算时间和内存要求严格。后者是通过分析电缆系统建立起一组等效的传输线方程，相比较而言有模型简单、计算量小的优点。对于导体线缆在各类电磁脉冲激励下响应的计算，通常采用电磁场散射理论的方法。然而，在大多数情况下，对于一些感兴趣的部分计算，应用简单的传输线模型就足够了，特别是在终端附近的响应传输线模型的解能够提供精确的结果。国内外对传输线理论的研究也十分热烈[4]。 传输线模型适用条件是[5]：①传输线的横断面和回路（本质上是线高度）要远小于激励场最小有效波长；②电流是平衡的（导线电流+返回电流=0）。③如果不满足，则用散射理论。但是，散射理论的系统需要很长的计算时间和内存。目前比较成熟的基于Maxwell方程推导描述外界电磁场对传输线的耦合传输线模型有三种：Taylor模型，Agrawal模型和Rachidi模型。每个耦合模型可以给出相同的传输线响应，但是它们之间又有细微的差别。
高速数字电路设计-传输线模型
高速数字电路设计是一个很复杂的过程，首先声明我只是一个菜鸟，一个入门学习者的一些学习感受和笔记，写在这里是为了让自己把知识巩固一下，自己认可一下自己而已。 高速电路主要讲什么呢？主要讲信号完整性，信号需要传输，那么先讲传输线模型。一根导线是有电阻的，与地之间是有容型负载的，是有感性的，我们统称为阻抗，一个导线有交变电流流过时就会产生交变磁场，两个有电势差的极板就会产生电场，那么一根信号线与接地回路之间即存在电场也存在磁场，正是因为有这两个场导致了信号完整性问题，串扰，EMI 辐射干扰，反射。 传输线模型：当我们把一根导线微分到一个很小的片段时，可以看成以下模型： 由这个模型引出了特征阻抗的概念，特征阻抗定义为：在传输线上的任意一点处电压与电流的比值，咱们来看特征阻抗的表达式：假设终端的负载为Z0，那么得出的模型为： 我们先假设终端阻抗和传输线的特 征阻抗相等，（暂时不考虑反射，为了简单），那么：我们设，Z(^z) = Rzl + w*Lz ；Y(^z) = Yr + 1/W*Cz；^Z= Z0 = ((Z(^z)+ Z0)*(1/Y(^z)) ) / (Z(^z)+ Z0 + 1/Y(^z));最终求的极限值，当^Z趋近于0时，可得特征阻抗Z = Z0 * Z0 = R + jwL / Gr + jwC;由此可以看出特征阻抗是与频率有关的函数，由于R 和Gr都很小，有时候可以大致估计为L / C；当传输线阻抗损耗很大时，R的值就不能忽略。关于PCB中一些精确的经验公式可以查阅相关资料可以得知。 阻抗是影响信号传输的一方面，传播速度和延时是高速电路设计考虑的重点，那么影响信号传播速度的主要参数有哪些？首当其冲的是传播介质，我们知道光在真空中的传播速度是3 x 100000000 m /s，信号V = c(光速) / 介电常数；那么单位时间传播延时dt = 1 / v ；上诉公式是在完全理想的条件下才成立，在PCB板上，微线带和带状线的传播速度稍微有点区别，这里留个问题：怎么样从传输线模型推出dt * dt = L*C。最后讲在实际设计仿真中怎么样设置参数。 信号初始波和信号反射 其中信号反射问题刚开始很是不理解，信号在传输过程中为什么会产生反射？我们把传输线看成一条沟渠，信号看成流水，当源头把水放到沟渠时，水就会向前流动，如果从源头一直