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專家課堂:信號(hào)是怎樣傳輸?shù)?

發(fā)布時(shí)間:2015-08-13 來(lái)源:王銳 一博科技 責(zé)任編輯:sherry

【導(dǎo)讀】如此高效的通訊手段,少不了傳輸媒介中能高速傳輸?shù)男盘?hào)的功勞。那信號(hào)在傳輸線的傳播速度到底有多快?怎么去理解呢?
 
“長(zhǎng)安回望繡成堆,山頂千門次第開(kāi);一騎紅塵妃子笑,無(wú)人知是荔枝來(lái)。”相信各位看官對(duì)杜牧的這首《過(guò)華清宮》并不陌生,這是講述唐明皇和中國(guó)四大美女之一楊玉環(huán)的故事。不過(guò)呢,高速先生拿出這首詩(shī),可不是要講唐明皇和楊玉環(huán)的故事哦,今天要講的的是那個(gè)“一騎紅塵妃子笑”的“騎”,對(duì),你沒(méi)看錯(cuò),就是“騎”,呵呵~~“騎”——千里馬,古時(shí)候,千里馬除了可以送荔枝,還可以干什么呢?“八百里加急”都聽(tīng)過(guò)吧,千里馬還可以用來(lái)通訊。另外了,還有烽火狼煙、孔明燈、飛鴿傳書、鴻雁傳書等等都是古代的通訊手段,這些通訊手段所花費(fèi)的時(shí)間,少則幾個(gè)鐘頭,多則數(shù)天。跟我們現(xiàn)如今的通訊手段是不可同日而語(yǔ)的了,現(xiàn)代的手機(jī)、電話,即使是你在地球的這端,而我在地球的那端,通訊也是分分鐘的事兒。
 
如此高效的通訊手段,少不了傳輸媒介中能高速傳輸?shù)男盘?hào)的功勞。那信號(hào)在傳輸線的傳播速度到底有多快?大多數(shù)人都知道是光速,大約11.8inch/ns,這個(gè)速度相當(dāng)于在1s的時(shí)間內(nèi)可以繞地球赤道飛行7圈半。如此驚人的速度是怎么樣形成的?很久以前,我們有這樣的一個(gè)認(rèn)知,一段電路中產(chǎn)生電流,必須有電荷的定向移動(dòng)。那信號(hào)的速度會(huì)是電荷的移動(dòng)速度嗎?在Eric的 《信號(hào)完整性分析》上有詳細(xì)的估算過(guò)程,電子的移動(dòng)速度大約等于1cm/s,跟信號(hào)傳輸速度相差甚遠(yuǎn),很顯然,信號(hào)的速度不是電荷的移動(dòng)速度。經(jīng)??锤咚傧壬恼碌娜藨?yīng)該看到過(guò)這樣一個(gè)概念,信號(hào)的傳輸速度實(shí)際上是由周圍空間里的交變電場(chǎng)和交變磁場(chǎng)的建立速度和傳輸速度決定的。
高速傳輸?shù)男盘?hào)
怎么去理解呢?很久以前,我們也有這樣的一個(gè)認(rèn)知,就是變化的電場(chǎng)產(chǎn)生磁場(chǎng),變化的磁場(chǎng)產(chǎn)生電場(chǎng),信號(hào)的本質(zhì)就是一個(gè)電勢(shì)差,在信號(hào)路徑與返回路徑之間的電勢(shì)差會(huì)產(chǎn)生電場(chǎng),從而產(chǎn)生磁場(chǎng),就這樣來(lái)來(lái)回回,在信號(hào)路徑與返回路徑之間產(chǎn)生交變的電場(chǎng)和磁場(chǎng),這樣說(shuō)不太好理解,如果你把它想象成鉸鏈就比較直觀了。 
2高速傳輸?shù)男盘?hào)
只要電場(chǎng)和磁場(chǎng)在不斷變化,信號(hào)就會(huì)不斷向前傳播,以電磁場(chǎng)的變化速度,也就是光速。認(rèn)識(shí)了信號(hào)的傳播過(guò)程,下面我們?cè)賮?lái)看看怎樣估算信號(hào)的傳播速度。
 
在單一介質(zhì)中,信號(hào)的傳播速度通常會(huì)用
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帶狀線通常上下層介質(zhì)的介電常數(shù)會(huì)比較接近,而且有兩層參考,電場(chǎng)和磁場(chǎng)會(huì)被限制在兩層銅皮之間,所以上述這個(gè)公式比較適合帶狀線的傳輸速度估算。
 
當(dāng)傳輸線處于不均勻的介質(zhì)中時(shí),傳輸速度計(jì)算起來(lái)就比較麻煩,這其中涉及到一個(gè)等效介電常數(shù)的計(jì)算,典型的例子就是微帶線。
4高速傳輸?shù)男盘?hào)
微帶線
 
下面列舉幾個(gè)微帶線傳輸速度的經(jīng)驗(yàn)公式
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h是介質(zhì)厚度(mil),這個(gè)公式估算出的值就比較精確了。通過(guò)公式(1)(2),我們大致可以看出v(SL)大約等于0.85倍的v(MS)。如果你細(xì)心觀察,你會(huì)在很多檢查等長(zhǎng)的表格或者軟件里面看到,計(jì)算表層微帶線的走線長(zhǎng)度時(shí),并不會(huì)直接使用它本身的長(zhǎng)度,而是會(huì)乘與0.85左右的系數(shù),然后再加上內(nèi)層帶狀線的長(zhǎng)度,這兩個(gè)長(zhǎng)度加在一起再和其他信號(hào)線做等長(zhǎng)匹配。
 
下面我們通過(guò)仿真來(lái)驗(yàn)證一下,以普通50歐姆走線為例:
6高速傳輸?shù)男盘?hào)
通過(guò)仿真計(jì)算,同一種阻值的走線,微帶線時(shí)延是145.9ps/in,帶狀線時(shí)延為173.6 ps/in,在這種設(shè)定下,我們計(jì)算下微帶線和帶狀線的時(shí)延差別145.9/173.6=0.84,在0.85附近。
 
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