高频传输线管理知识理论

高頻傳輸線理論(High-Speed Transmission

Line Theory)

檢測部

頻寬及信號完整性術語與說明

高頻傳輸線

引言：CPU的速率由50MHz以上升到200MHz以上，連I/O週邊的速率也

由33MHz提升至100MHz以上。原

本扮演「連接傳導」的銅線、銅箔、導

線等變成高頻傳輸線。這些傳線類似天

線，會把流經信號的能量「耦合」或「輻

射」出去，造成電磁串音(訊號線之間的

干擾)及EMI(對外界的干擾)、也有阻抗

匹配的問題等. . . ，以下將就高頻傳輸

線的特性作討論與分析。

基本單位

1. 介電常數(，Dielectric Constant): 介電常數定義為電力線密

度與電場強度的比值(E

D

=

ε)，在dielectric material(一般用的塑膠)中，介電常數越小，電容的效應越小，電磁波通過的速率越快，量測的方法如下:

Dielectric Constant

V

V

C

C o

o

=

=

ε

一些常見物質的介電常數:

Material Dielectric Constant

Air 1

Glass 4-10

Oil 2.3

Paper 2-4

Polyethylene (PE) 2.3 Polystyrene (PS)

2.6 Porcelain 5.7 Teflon 2.1 LCP

3.2 Polyvinyl Chloride (PVC)

3.5~4 SPS 2.9 PCT 2.72~2.87 PPS 3.8~3.9 TPE

2.1~2.3

2. Velocity ：電磁波在介質內的傳遞速度取決於介質的介電係數

permittivity,ε）及導磁係數（permeability,

）。如下式：

εμ

1

V =

在真空中

Where o r εεε= & o r μμμ= 9o 10361

-⨯=

π

ε F/m

7o 104-⨯=πμ H/m

8o

o o 1031

V ⨯==

με m/s

可見電磁波在真空中是以光速在前進。假如電磁波在介質中傳播，我們必需知道介質的相對介電係數（r ε）及相對導磁係數（r μ），以推算電磁波在介質內的傳遞速度。

舉例而言，電磁波在SCSI Cable （TPO, r ε= 2.3, r μ =1）內的傳遞速度為

o 88r

r o

V 66.0s /m 10978.11

3.2s

/m 103V 1

V =⨯=⨯⨯=

=

=

μεεμ

3. Ｗave Length ：

根據

=λ

1/101/4波長便會有天線效應產生。

4. 導電係數(σ, conductivity)

物質導電的能力，導電係數越大，電阻越小。相當於機械方面的IACS 係數。

A

L

R ⨯=

σ where R=resistance L=conductor length A=conductor area

一些物質的導電係數

High-Frequency Effects

Impedance(阻抗) = Resistance(電阻) + Reactance(電抗) Reactance有兩種：Inductive reactance (X L = ωL) 感抗

Capacitive reactance (X c = 1/ωC) 容抗

低頻時：reactance很小，主要是看resistance。因此在直流及低頻時，所量測(譬如用三用電表)到的是電阻。

高頻時：resistance很小，主要是reactance(電容及電感的效應)。

故在高頻時，reactance就是指阻抗。

Ohmic loss

在高頻時，電流愈靠近導體周圍流動，稱集膚效應（skin effect），此乃導因在更高頻時，導體中心的inductive reactance增大，強迫電流流向周圍。所以，真正可用的導體面積縮小，導致電阻值增加，損耗增加。

集膚深度(Skin depth):

一般是指電磁波振幅衰減至0.368倍時的深度(電流密度是表面0.368倍的深度)。

Dielectric loss

在低頻時，介質的導電率低，故其流經的電流很小。然而，在高頻時，介質內會被導入電流而有損耗。

Radiation loss

電磁場散逸在空氣中或介質而損失能量。也就是EMI 中的輻射干擾(另一種是經由電流影響其他裝置的傳導干擾)，這能量若耦合到其它裝置就造成干擾。若輻射損耗要小，則shielding 要做好。

ty

Conductivi f f :::14

.3:1

σμπσ

μπδ導磁係數

頻率⋅⋅⋅=

高頻連接器的發展與規畫

(一) 電氣特性的量測

目的: 測試產品的電氣特性是否達到客戶的要求

主動提供產品的電氣特性資料給客戶電氣特性: Characteristic Impedance

Propagation Delay

Crosstalk

Self-inductance

Self-capacitance

Mutual-inductance

Mutual-capacitance

Attenuation

Skew

...etc.

量測工具: 時域反射儀( Time-Domain Reflectometry,