PCB金屬線也有阻抗? 傳輸線阻抗

Take-away: 

1. 傳輸線的物理幾何形狀、物理尺寸決定了傳輸線阻抗Z0，可藉由調整金屬線寬來控制傳輸線阻抗。
2. 傳輸線阻抗Z0建議透過模擬軟體運算得知。
3. 傳輸線阻抗Z0和電容值C反比，例如線寬變細->電容下降->阻抗上升。

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(如下圖左方)我們若想知道元件的電性阻抗，我們會將電壓源V接到原件的正負端，此時會產生對應的電流I，我們便可藉由V/I得到阻抗Z。
(如下圖右方)同理，若我們把電壓源接上PCB上的走線和GND端，並觀察電流，可得到傳輸線的阻抗，習慣上稱呼傳輸線阻抗為Z0。
很神奇對吧! 不只是電阻電容有阻抗，單純的金屬走線也是有阻抗值。

傳輸線的阻抗值Z0和傳輸線的物理幾何形狀、物理尺寸有關。
(下圖)幾何形狀上，由左至右分別為microstrip，coaxial cable，stripline，coplanar microstrip，分別有不同的傳輸線阻抗Z0，例如PCB外層常用microstrip，PCB內層常用stripline。

(下圖)尺寸上，由左至右分別細線寬、粗線寬、厚PCB層，分別有不同的傳輸線阻抗Z0，換句話說，在PCB上，我們可藉由調整走線的線寬、或者介質層的厚度來控制傳輸線的阻抗。

Note: 傳輸線的物理幾何形狀、物理尺寸決定了傳輸線阻抗，可藉由調整金屬線寬來控制傳輸線阻抗。


要得知傳輸線的阻抗，一般有三種方式，1為利用模擬軟體透過電腦運算，2為模型公式解，3為人工計算。三種方式各有優缺點，模型公式解雖然快速方便，但大多人會忽略了公式可使用的極限，得到了錯誤的結果。筆者最推薦使用1的方式來計算。常見傳輸線阻抗計算軟體如Keysight ADS-CILD、POLAR、ANSYS Q2D，這些軟體在2D結構、EM quasi-static、quasi-TEM的假設下，能夠快速得到傳輸線阻抗。
Note: 傳輸線阻抗Z0建議透過模擬軟體運算得知。

阻抗值可透過模擬軟體得知，但身為工程師需知道阻抗和物理結構的定性關係。例如線寬變細，那麼阻抗是升高還降低呢？筆者推薦一個簡單的方式來判斷，傳輸線阻抗Z0會反比於電容值，若物理尺寸的改變會讓電容值下降，則阻抗會升高。例如

1. 線寬變細->電容下降->阻抗上升。
2. 介質層厚度變薄->電容上升->阻抗下降。
3. 介質材料介電值上升->電容上升->阻抗下降。
4. 走線由外層移至內層->電容上升->阻抗下降。
Note: 傳輸線阻抗Z0和電容值C反比，例如線寬變細->電容下降->阻抗上升。

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