在浏览器中计算印制电路板传输线特性阻抗的工具。支持微带线、对称带状线、非对称带状线,以及微带与带状两种差分对,共五种结构。
与其他计算工具不同的是,本工具可以直接输入芯板与半固化片介电常数不同的非对称结构,以及蚀刻后呈梯形的导体截面。这两点在实际电路板上普遍存在,却常常被忽略。
如何选择结构
| 结构 | 适用场合 |
|---|---|
| 微带线 | 表层布线(L1/底层)。一侧暴露在空气中 |
| 带状线(对称) | 内层布线,上下参考平面距离相等 |
| 带状线(非对称) | 内层布线,上下距离或介电常数不同。实际多层板基本都是这种情况 |
| 差分对(微带线) | 表层差分布线:USB、LVDS、以太网等 |
| 差分对(带状线) | 内层差分布线,优先考虑抗噪声能力时 |
各输入参数的含义
- Wtop / Wbot — 导体的上底宽度与下底宽度。蚀刻后截面为梯形,因此分两项输入。若按矩形处理,填入相同数值即可。
- T — 导体厚度。若按铜箔重量指定,可在单位中选择 oz(1 oz ≈ 35 µm)。
- H — 微带线的介质厚度,即导体到参考平面的距离。
- B — 对称带状线的接地板间距,即上下两个接地层之间的距离。
- H1 / H2 — 非对称带状线中,导体到上侧/下侧接地层的距离。
- εr — 相对介电常数。FR-4 约为 4.2~4.5,但随材料与频率变化,请以厂商数据手册的数值为准。
- S — 差分对的导体间距。请按下底侧的最小间距输入(梯形截面下侧比上侧更窄)。
芯板与半固化片介电常数不同的情况
多层板的内层布线通常一侧是芯板、另一侧是半固化片。两者树脂含量不同,因此介电常数也不同,例如芯板 4.3、半固化片 4.1。
一般的计算工具只能输入一个 εr,只好取平均值折中。本工具的「带状线(非对称)」标签页可以分别输入 εr1(上侧)与 εr2(下侧)。
计算方法是将导体上下两侧的电容分开求解后再合成。此时得到的有效介电常数 εeff 是按各侧空气电容加权的结果,与简单地按厚度倒数加权平均并不相同。若在此处用简单平均代替,上下非对称程度越大,误差越大。
梯形截面的处理
采用减成法蚀刻铜箔时,蚀刻液自上方作用,上侧被腐蚀得更多,截面最终形成上底较窄的梯形。设计上用一个 W 指定线宽,而实物的上下宽度并不相同。
本工具分别输入 Wtop 与 Wbot,按等效宽度 (Wtop+Wbot)/2 处理,同时显示蚀刻因子(T 除以单侧侧蚀量),可与板厂提供的数值相互核对。
在非对称带状线中,上侧电容采用 Wtop,下侧采用 Wbot,因此梯形的朝向对阻抗的影响也会反映在结果中。
关于差分对的计算
差分对标签页除差分阻抗 Zdiff 外,还会显示偶模阻抗 Z0e、奇模阻抗 Z0o 与共模阻抗 Zcomm,关系如下:
Z_diff = 2 × Z_0o Z_comm = Z_0e / 2
共模阻抗在选择共模扼流圈、设计共模端接时都会用到。多数工具只给出差分值,需要同时查看两者时可以使用本工具。
间距 S 按下底侧的最小间距输入,梯形截面换算为等效间距 S+(Wbot−Wtop)/2。导体厚度修正使导体向两侧展宽、间距同量缩小,因此节距 Wbot+S 保持不变,不会与设计中指定的节距产生偏差。
计算公式与出处
| 结构 | 计算公式 |
|---|---|
| 微带线 | Hammerstad–Jensen 闭式解+导体厚度修正 |
| 带状线 | 基于保角映射的精确解(完全椭圆积分)+Wheeler 导体厚度修正 |
| 非对称带状线 | 将上下电容分离后合成(电容分割法) |
| 差分微带线 | Kirschning–Jansen 静态闭式解(偶模/奇模) |
| 差分带状线 | Cohn 保角映射的偶模/奇模解 |
完全椭圆积分采用算术几何平均(AGM)法,收敛至双精度极限,未使用级数展开近似。
精度与适用范围
实现的验证采用自洽性检查:当差分对的间距 S 足够大时,偶模与奇模应收敛到单端值。带状线在机器精度级别上完全一致,微带线在 S/H 较大的区域也收敛到 0.001 % 以内。同理,非对称带状线在 H1=H2、εr1=εr2 且截面为矩形时,与对称带状线完全一致。
- 本模型为静态(低频)模型,不包含色散、导体损耗、介质损耗与表面粗糙度。超过数 GHz 时结果会偏低。
- 绝对值请预留数个百分点的误差,与板厂实测值或电磁场仿真结果必然存在差异。
- 输入超出推荐范围时会显示警告(W/H、T/B、S/H、εr 等)。即使出现警告仍会继续计算,但数值可信度下降。
- 最终确认请使用 uSimmics(Qucs-S)等电磁场仿真工具。

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