3.3.1　传输线的影响分析

在传输线上，信号以电磁波的形式从一端传到另一端。如果传输线阻抗不连续，那么信号沿传输线传输时一部分信号会被反射，从而产生信号完整性问题。

1. 特征阻抗

高频的交流信号在传输时，信号和它的回流之间存在变化的电场，从而引发变化的磁场，电磁场的能量大部分集中在导体和回流平面之间的介质中，特征阻抗（Z0）是传输线和介质共同作用下阻止电磁场变化的固有特性，与传输线的宽度、厚度、与参考平面的距离，以及介质的介电常数有关。

影响特征阻抗的因素主要有以下四个。

（1）Z0与基板材料介电常数Er的关系。

Z0和Er的平方根成反比，Er对Z0的影响比较小，但对高频线路来说，Er是非常重要的。由电磁波理论中的Maxwell公式可知，正弦波信号在介质中的传输速率（vs）与光速成正比，与Er成反比，即

vs=C/Er

由该公式可知，要提高信号的传输速度，需要降低材料的Er，同时需要采用Z0较大的材料，而Z0较大的材料需要具备低的Er，具有低Er的材料包括聚四氟乙烯（PTFE）、树脂基板材料（Bismaleimide Triazine，BT）、聚酰亚胺（Polyimide，PI）等。

（2）Z0与基板材料介质厚度的关系。

介质层的厚度和Z0成正比，是影响Z0的一个重要因素。因此，对于Z0要求高的基板，介质层厚度的均匀性是保证成功设计和制备Z0电路板的关键，在设计中应注意的是，随着导体走线密度的增加，其介质厚度的增加会引起电磁干扰的增大。因此，对于高频/高速线路的信号传输，随着导体布线的增加，应减小介质层厚度以消除或降低电磁干扰带来的杂信或串扰问题，采用较薄的介质层厚度也有利于降低Er。

（3）Z0与铜箔厚度的关系。

铜箔厚度也是影响Z0的重要因素，铜箔越厚，Z0越小。但铜箔厚度变化范围相对比较小，同时铜箔厚度的变化对线路的间距大小有很大的影响，但铜箔厚度增加时，精细线路难以制作。

（4）Z0与导线宽度（W）的关系。

导线宽度越小，导线长度越长，Z0越大。Z0与导线宽度成正比，导线宽度变化对Z0的影响比铜箔厚度变化对Z0的影响更明显。因此，改变和控制导线宽度是控制Z0和变化范围的根本途径。

2. 信号反射

当信号在一种媒介向另外一种媒介中传输的时候，媒介阻抗变化会导致信号在不同媒介交界处产生反射，从而部分信号能量不能通过交界处传输到另外的媒介中。当这种情况严重时，还会引起信号不停地在媒介两端来回反射。随之会产生一系列的信号完整性问题。在实际电路的设计过程中，难以完全保持信号在传输过程中在一条恒定阻抗的传输线上传输。例如，驱动端的阻抗值较低，而接收端的阻抗值较高，那么由反射现象引起的振铃、过冲、下冲、过阻尼、欠阻尼等信号完整性问题成了高速设计中必须解决的问题。

3. 传输线损耗和信号的衰减

传输线自身损耗可以分为电阻损耗和介质损耗。

（1）电阻损耗。

实际传输线导体的电导率不是无穷大的，信号在传输线上传输会感受到电流阻力，这一电流阻力在等效电路中用串联电阻表示。按照信号正弦波分量的频率高低，电阻损耗又可以分为电阻直流损耗和电阻交流损耗。

（2）介质损耗。

介质的电磁性质通常用电容率ε、磁导率μ和电导率σ（或电阻率ρ）这几个参数来描述。由于介质的磁导率μ一般等于真空磁导率μ0，因此其磁化损耗可以不计。

理想的介质是绝缘的无损耗介质，电导率σ为0，电容率ε为实数。当信号通过理想介质传输时，电磁能量没有损耗，不会产生衰减和色散。然而在实际中，除真空外，所有的介质都有一定的电导率，并且电容率ε为复数。当信号通过实际介质传输时，将会有一定的能量损耗，从而引起信号的衰减和色散。介质损耗主要包括介质直流损耗和介质交流极化损耗两部分。

4. 有耗传输线的时域影响

在多数设计中，相比电阻损耗，介质损耗都是很小的，可以忽略不计，当信号在有耗传输线上传输时，方波信号可以看作一系列正弦波信号的叠加。一方面，频率越高，阻抗损耗和介质损耗均越大，即方波信号中的高频分量衰减得越严重，引起上升沿变缓。另一方面，受到色散的影响，不同频率分量的传输速率不同，相位差也会引起上升沿变缓。

由于传输线的损耗会限制信道的带宽，并且色散会引起不同频率的传输相位差，因此数据在时域上会产生拖尾，影响旁边的数据，造成码间干扰（Inter-Symbol Interference，ISI），并随着传输速率加快而恶化。虽然可以采用均衡器来改善ISI，但在传输线的设计阶段进行优化才是SI信号完整性的根本解决办法。