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【Maker電子學】淺談高頻系統的原理與設計—PART11

   
作者:Bird

上一回【Maker電子學】淺談高頻系統的原理與設計—PART10,我們說明了傳輸線理論中「駐波」的形成、介紹 SWR 駐波比和 VSWR 電壓駐波比的觀念,以及 VSWR 與傳輸時功率損耗之間的關係。這一次我們要來看一下 PCB 上的傳輸線。

多變的傳輸線

我們在一開始講高頻訊號的時候說過,之所以需要用傳輸線理論來看待線路的理由,是因為訊號的頻率很高、波長很短。

(圖片來源:Bird 提供)

當訊號的波長小於線路的長度時,因為訊號相位變化的速度比訊號在線路上傳遞的速度快,我們就可以在線路上的不同位置測量到不同的訊號相位。這時,這段線路就不能單純地用一般導體來看待,而需要用傳輸線理論來伺候。

現實生活中常見的傳輸線如有線電視電纜、網路線、USB 線等,都是特別針對要傳輸的訊號設計的線材,以符合訊號的特性阻抗。傳輸線的特性阻抗如果與發射器或接收器的特性阻抗不符,就會在阻抗變化處造成反射,形成駐波,浪費能量也破壞訊號的完整性。

以有線電視電纜為例,有線電視訊號的特性阻抗標準是 75 ohm,因此在整個系統中,從發射器、放大器、分配器、連接器,一直到你家的電視上面機上盒的接頭,一路都是 75 ohm 的特性阻抗,那個黑色的電纜本身也是設計成 75 ohm 的特性阻抗。

一個傳輸線的特性阻抗由很多因素決定,包括導體的粗細、絕緣層的材料、厚度、形狀,導體之間的相對位置等,而要妥善控制一個傳輸線的特性阻抗保持不變,就要控制它的截面在各個位置都維持一致。

不過掛在外面電線桿上的有線電視電纜看起來就比接進你家裡機上盒的電纜要粗上許多,它們的截面顯然不一樣,難道特性阻抗也相同?沒錯,其實設計一個傳輸線在特定的特性阻抗下的截面並不是唯一解,因為導體的粗細、絕緣層的材料、厚度、形狀等決定傳輸線特性阻抗的變因很多,你可以設定幾個要控制的項,再根據數學模型解出其它項,就可以得到你要的傳輸線截面設計。

因此同樣是 75 ohm 的傳輸線,你可以為了要讓它在戶外吹風淋雨而設計成直徑半吋的粗壯電纜,也可以為了室內走線方便而設計成直徑四分之一吋甚至更細的電纜。

另外就是外型看起來幾乎一樣的兩種電纜,也有可能因為內部設計的些微差異而有不同的特性阻抗。有線電視常用的 RG-59A/U 電纜,它的特性阻抗是 75 ohm,但外型差不多的 RG-58A/U 電纜,它的特性阻抗則是 50 ohm,兩者不可混用。

平面上傳輸線

當訊號的頻率越來越高、波長越來越短,在 PCB 上,我們也會有傳輸線的需求。從 Wi-Fi 晶片的天線接腳,到焊在 PCB 上的天線連接器這一段路,會需要傳輸線設計,否則如果這段線路的特性阻抗跟 Wi-Fi 晶片出來的訊號特性阻抗不匹配的話,訊號就會大量反射回 Wi-Fi 晶片內部而發射不出去。

但平面的 PCB 上要怎麼做傳輸線呢?其實 PCB 並不是一個完全平面的結構,就算是單面的 PCB,它至少也是由一層銅箔和一層基材構成的:

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Liang Bird

Author: Liang Bird

在外商圈電子業中闖蕩多年,經歷過 NXP、Sony、Crossmatch 等企業,從事無線通訊、影像系統、手機、液晶面板、半導體、生物辨識等不同領域產品開發。熱愛學習新事物,協助新創團隊解決技術問題。台大農機系、台科大電子所畢業,熱愛賞鳥、演奏管風琴、大提琴、法國號,亦是不折不扣的熱血 maker。

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