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平面傳輸線：
剛開始進入電磁/微波領域時，絕大多數都是先從傳輸線開始學起，那究竟傳輸線是什麼？有幾種傳輸線？分別具有什麼特性？
本篇筆者將介紹幾種常看到的傳輸線，以及這些傳輸線的特性阻抗計算公式與相關聯的網站。
基本上，任何連結電子產品、元件的媒介，我們都可以稱之為傳輸線(Transmission line)。
對筆者而言，傳輸線大略可以分成平面傳輸線以及三維傳輸線兩種類型
平面傳輸線：
微帶線(Micro-strip Line)：
微帶線是大多數學RF的學生與工程師最常碰到的傳輸線結構。常可以在BGA封裝以及PCB板上看到。其製造成本低、體積小、易積體化、阻抗易控制，且電性上寄生電容較小，在高速訊號傳遞上有很大的優勢。但電阻損耗較大，功率容量小是其致命傷。(高速訊號會因為寄生電容的關係使其上升時間變慢，因此微帶線是很好的架構)
一般所看到的微帶線為雙層金屬架構，從上到下分別為訊號線、介質層以及返回平面。通常，訊號線會被綠漆(Soldermask)給蓋住，以保護金屬走線以防其暴露在空氣中導致氧化。
微帶線的高頻訊號以電場的形式由訊號線耦合到返回平面；產生的時變磁場則以封閉場的形式圍繞在線的四周。因其介質屬於複合式介質(空氣與介電材料)，所以頻率變高時將會產生非理想訊號(TE、TM)，導致其高頻頻率響應較差。(可以想像是材料不對稱所產生的非理想特性)
微帶線特性阻抗計算式為：
εr為相對介電常數、H為介質厚度、w為線寬、t則為金屬線厚度。
帶狀線(Stripline)
微帶線之外較常見的就是帶狀線了。
帶狀線與微帶線很類似，常應用在封裝走線以及PCB走線。兩者最大的差異為微帶線是佈局在外層線路的走線，帶狀線則是佈局在內層線路的走線。相對微帶線，其有較好的訊號屏蔽效應，可以有效抑制雜訊的耦合甚或是電磁干擾的影響。不過因為內層走線的介電常數較外層走線大，相同特性阻抗所要求的線寬較小，造成電阻損耗、寄生電容變大使其本身電性上優勢不如微帶線。不過也因為被內埋在導體之間，所以對外界的干擾會比外層走線來的優異許多。
常見帶狀線的結構為三層金屬架構，由上到下分別為返回平面、訊號線、返回平面。
電場平均分布在訊號線以及返回平面之間；磁場則以封閉場的形式圍繞於線的四周。
帶狀線特性阻抗計算式為：
εr為相對介電常數、d1/d2為上/下介質厚度、w為線寬、t則為金屬線厚度。
共面波導(Co-Planar Waveguide)
共面波導可以把它想像成是參考路徑所圍住的微帶線以及帶狀線。其又稱為共面微帶線或共面帶狀線。
三維傳輸線：
同軸線(Coaxial)
同軸線為圓形結構，除了接頭端，訊號線被參考路徑完全包覆。訊號屏蔽效果相當優異，不易受到外界電磁波干擾。且場形的分布相當均勻，較不易產生高頻非理想訊號，因此操作頻寬相當高，遠距離傳輸時訊號的損耗不至於過大，且可撓曲讓使用上更方便。不過造價相對印刷形式電路而言則高出不少。
同軸線特性阻抗計算式為：
εr為相對介電常數、d1/d2為內/外導體直徑。
針對平面板子傳輸線特性阻抗的計算，筆者在這裡分享一個好網站，使用者只要輸入相關的設計參數例如材料介電常數、厚度、線寬、金屬厚度即可得到特性阻抗值，相當方便。
以上是RF、數位/類比設計上最常看到的幾種傳輸線。當然，傳輸線的種類不僅僅侷限於這幾種，尚有雙絞線(Twisted Pair)、平行雙線(Parallel Wire)等等。但由於RF、數位/類比設計上較少見到，因此筆者在這裡就不多著墨了。
Reference：
David M.Pozar, Microwave Engineering
Reference：
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3 comments
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