2021年8月28日 星期六

微帶線的電磁波波長與電長度

我曾寫過一篇電長度(Electrical length)與物理長度的意義,裡面提到電磁波於真空與波導中的波長是不同的,不可直接用光速/頻率來計算波長與電長度。

由於每種波導的波長計算方式都不太一樣,加上現在模擬軟體都很方便,所以我只說明最常見的微帶線(Microstrip)波長與電長度計算方式,根據參考資料[1],光速與電磁波在微帶線裡的相速度關係如下



 

 

 

 

其中c是光速,vp是相速度,εeff則是有效介電常數,因為微帶線位於空氣與介電質(基板)之間,所以轉換為相當於被包裹在一個介電常數為εeff的材料中,以利計算。εeff的近似公式可由資料[1]得知

 

 

 

 

h是板厚,w是微帶線寬度,εr是電路板介電質的介電常數,最常見的FR4大約為4.3

將光速與相速度除以頻率,可得參考資料[2][3][4]所寫的波導波長與真空電磁波之波長的關係式





 

 

λg是電磁波在微帶線的波長,λ0是真空中的波長

最後設L為物理長度,E為電長度,f為頻率,整理以上算式可得出微帶線物理長度與電長度的關係式


 

 

 

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example:

設頻率1 GHz,板厚1.6 mm,線寬0.5 mm,光速299792458 m/s,εr = 4.3,求微帶線1λg的物理長度。

光速除以頻率可得λ0 = 0.2998 m

利用上述公式可算出εeff = 2.9129,由此可算出λg = 175.7 mm

我利用ADS的LineCalc模擬結果為174.749 mm,由此可知這個公式可以算是很準確



 

 

 

 

 

 




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參考資料

[1] David M. Pozar. 《微波工程》. ISBN 9789863780809

[2]陳彥甫 . 使用二個U型耦合步階式阻抗平行三線式多頻帶通濾波器之設計

[3]何政穎 . 寬頻抑制與高選擇性帶通濾波器之研究

[4]邱宗文 . 包含饋入網路之平面天線新型設計


2021年8月15日 星期日

理想電容與實際電容的差異

 一個理想電容的電抗(X) = 1/ωC,因此理論上頻率與電容值愈高,電抗愈小。

但實際電容其實等效於三個理想RLC串聯電路,因為電容本身損耗會造成一些類似電阻與電感的影響,因此測量時可能會發現同一顆電容愈高頻的訊號損耗愈大,這與理想電容的理論是不符合的。

 設計電路時最好先試做一個50 Ohm線與電容footprint組合而成的雙端電路,藉此實測電容阻抗與損耗。


關於實際電容的影響,MLCC大廠MURATA有一篇很詳細的文章可以參考

电容器阻抗/ESR频率特性是指什么?

 

 

2021年8月14日 星期六

差分阻抗(differential impedance)近似公式

 





 

這是微帶線的差分阻抗的近似公式。

要更準確的得到差分阻抗,最好是用軟體模擬,或是直接試做一片電路來測量

以下兩個線上計算器可用此公式算差分阻抗,請注意單位不同

 1.Differential Microstrip Impedance Calculator

 2.Differential Microstrip Impedance Calculator

 

另外,某些模擬軟體(例如LineCalc)雖然沒有直接計算差分阻抗的功能,但通常能計算耦合線的奇模組抗Zo,差分阻抗為奇模組抗的兩倍,Zdiff = Zo * 2

 

 

參考資料

差模傳輸對在高速印刷電路中電磁輻射之量測與分析

PCB Impedance Control:Formulas and Resources-UltraCAD Design, Inc

Analysis of differential termination technique in cascading of high speed LVDS signals on a PCB

Signal Integrity Optimization of MLVDS based  Multi-master Instrument Bus