大學問——傳輸線
高頻互連需要特別考慮，因爲它們通常表現得不像普通電線，而更像是傳輸線。
在低頻系統中，組件通過電線或PCB（印刷電路板）跡線連接。這些導電元件的電阻在大多數情況下低到可以忽略不計。
然而，隨着頻率的增加，電路設計和分析的這一方面會發生顯著變化。基於我們對低頻電路的經驗，射頻信號並不以我們預期的直接方式沿電線或PCB跡線傳播。
傳輸線
射頻互連的行爲與攜帶低頻信號的普通電線非常不同——事實上，它們之間的差異如此之大，以至於需要引入額外的術語來描述：傳輸線是一種電纜（或簡單地說是一對導體），其分析必須基於高頻信號傳播的特性。
首先，讓我們澄清兩件事：
電纜與跡線
在這個上下文中，“電纜”這個詞雖然方便但並不精確。同軸電纜無疑是傳輸線的經典例子，但PCB跡線也同樣具有傳輸線的功能。所謂的“微帶線”（microstrip transmission line）是由一條跡線和一個鄰近的接地平面組成的，如下所示：
"帶狀線"（stripline）傳輸線由一條PCB跡線和兩個接地平面組成：
PCB傳輸線特別重要，因爲它們的特性直接由設計者控制。當我們購買電纜時，其物理特性是固定的；我們只需從數據表中收集必要的信息。然而，在佈局射頻PCB時，我們可以很容易地根據應用需求定製傳輸線的尺寸——進而定製其電氣特性。
傳輸線準則
並非所有高頻互連都是傳輸線；這一術語主要指的是信號與電纜之間的電氣相互作用，而不是信號的頻率或電纜的物理特性。那麼，我們何時需要在分析中考慮傳輸線效應呢？
一般來說，當線路的長度與信號的波長相當或更大時，傳輸線效應就會變得顯著。一個更具體的指導準則是波長的四分之一：
如果互連長度小於信號波長的四分之一，則無需進行傳輸線分析。互連本身不會顯著影響電路的電氣行爲。
如果互連長度大於信號波長的四分之一，則傳輸線效應變得顯著，必須考慮互連本身的影響。
請注意，波長等於傳播速度除以頻率：
如果我們假設傳播速度爲光速的0.7倍，那麼我們有以下波長：
| 頻率 (Hz) | 波長 (單位：km/m/mm) |
|---|---|
| 1 kHz | 210 km |
| 1 MHz | 210 m |
| 1 GHz | 210 mm |
| 10 GHz | 21 mm |
對應的傳輸線閾值是以下這些：
| 頻率 (Hz) | 傳輸線閾值 (單位：km/m/mm) |
|---|---|
| 1 kHz | 52.5 km |
| 1 MHz | 52.5 m |
| 1 GHz | 52.5 mm |
| 10 GHz | 5.25 mm |
因此，對於非常低的頻率，傳輸線效應可以忽略不計。對於中等頻率，只有非常長的電纜才需要特別考慮。然而，在1 GHz時，許多PCB跡線必須被視爲傳輸線，並且隨着頻率上升到數十GHz，傳輸線變得無處不在。
特性阻抗
傳輸線最重要的屬性是特性阻抗（用Z0表示）。總的來說，這是一個相當直接的概念，但一開始可能會令人困惑。
首先，關於術語的一點說明：“電阻”指的是對任何電流流動的阻礙，它不依賴於頻率。“阻抗”用於交流電路的環境中，通常指的是依賴於頻率的電阻。然而，我們有時在理論上應該使用“電阻”的地方卻使用了“阻抗”；例如，我們可能會提到純電阻電路的“輸出阻抗”。
因此，明確“特性阻抗”的含義非常重要。它並不是電纜內部信號導體的電阻——常見的特性阻抗是50 Ω，而短電纜的50 Ω直流電阻則高得離譜。以下是一些要點，有助於澄清特性阻抗的性質：
特性阻抗取決於傳輸線的物理屬性，特別是對於同軸電纜，它受內直徑（D1）、外直徑（D2）以及內外導體之間絕緣材料的相對介電常數的影響。
特性阻抗與電纜長度無關。它遍佈電纜的每一處，這是由電纜固有的電容和電感所決定的。
圖中通過單獨的電感器和電容器來模擬電纜全長範圍內連續存在的分佈電容和電感。
在直流（DC）條件下，傳輸線的阻抗並不重要。但理論上，無限長的傳輸線對直流電源（如電池）也會表現出其特性阻抗，因爲該傳輸線會持續不斷地吸取電流來爲其無限的分佈電容充電，導致電池電壓與充電電流之比等於特性阻抗。傳輸線的特性阻抗是電阻性的，不會引入相位偏移，所有信號頻率都以相同速度傳播。理論上，這僅適用於無損耗的傳輸線（即導體上電阻爲零且導體間電阻無窮大），但無損線分析在實際的低損耗傳輸線中足夠準確。
在射頻設計中，傳輸線的特性阻抗並非用於限制電流流動，而是兩根相鄰導體組成的電纜之間相互作用的結果。爲了避免信號反射並達到最大功率傳輸，設計者需要匹配這些特性阻抗。
當互連線的長度至少達到信號波長的四分之一時，它就被視爲傳輸線。
同軸電纜通常用作傳輸線，儘管PCB（印刷電路板）上的走線也起到這個作用。兩種標準的PCB傳輸線是微帶線和帶狀線。
PCB上的互連線通常較短，因此它們在信號頻率接近1 GHz之前不會表現出傳輸線行爲。
傳輸線上電壓與電流的比值被稱爲特性阻抗。它是電纜物理屬性的函數，儘管它不受長度的影響，對於理想化（即無損耗）的線路，它是純電阻性的。
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