信号传播速度与介质之间的关系

心间

       导线和印刷电路走线中电信号的传播速度取决于其周围的介质。传播延迟的大小以皮秒/英寸(ps/in)为单位。传播速度单位为英寸/皮秒(in/ps)是传播延迟的倒数。

      导线的传播延迟与其周围介质的介电场数的平方根成比例增加。即介电场数越大，传播延迟也越大，信号传播速度越慢。为了提升信号的传播速度，同轴电缆的制造商经常在线缆内使用泡沫或肋状结构的绝缘材料，以减小实际的介电常数，从而降低传播延迟，同时减小介电损耗。下面列出了常见的介质的介电常数：

介质	延迟(ps/in)	介电常数
空气（无线电波）	85	1.0
同轴电缆（75%速度）	113	1.8
同轴电缆（66%速度）	129	2.3
FR-4 PCB（表层微带线）	140~180	2.8~4.5
FR-4 PCB（内层带状线）	180	4.5
氧化铝PCB（内层带状线）	240~270	8~10

      印制板走线的单位延迟（每英寸）取决于印制板基板材料的介电常数和走线的几何结构。常用的印制板材料是FR4，在低频时的介电常数大约为4.7±20%，而在高频时劣化到4.5.对于传播延迟的计算，应使用高频时的数值4.5。

      走线的几何结构决定了其电场是驻留于电路板内还是进入到空气中。当电场停留在电路板中时，实际的介电常数增大，因而信号传播较慢。当一个电路走线的环绕电场被封闭在电路板内两个地平面之间时，其环绕电场完全驻留在电路板中。对于典型的FR4印制板材料，形成的实际介电常数为4.5 。当电路走线位于印制板电路板的外表层时（外层微带走线），它的电场分布于走线的一侧空气及另外一侧的FR4基板材料中，形成的介电常数介于1~4.5之间。电路板外层走线总是比内层走线传输得快。

      作为一种陶瓷材料，氧化铝用来制作非常密集的电路板（多达50层）。它的优势在于热膨胀系数低且易于加工成非常薄的板层，但制造成本非常昂贵。微波工程师更看中氧化铝电路低传播速度的特点（延时较长），因此这样可以缩小谐振结构的尺寸。

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