1 传输线的特征阻抗，阻抗匹配和阻抗控制
1.1 特征阻抗
在电路分析中，对于必须考虑信号传输，由两个具有一定长度的导体组成回路的连接线，称之为传输线。在PCB板中，可以认为一条传输线就等同为一段电阻。
特征阻抗(Characteristic Impedance)是指传输线中，其高频信号或电磁波传播时所遇到的阻力，他是电阻抗、电容抗、电感抗的一个矢量和。传输线的特征阻抗只与信号连线本身的特性相关，在射频电路中，特征阻抗主要取决于连线的单位分布电容和单位分布电感带来的分布电阻。传输线的阻抗可以用下面的公式表示：
其中：ZO为实际传输线的特征阻抗；R为传输线的导线电阻；L为传输线的导线分布电感；C为传输线的导线分布电容。
1.2 阻抗匹配
在PCB板中，信号传递时，希望从信号的发射端起，在能量损失最小的情形下，能顺利地传送到接收端，而且接收端将其完全吸收而不作任何反射。要达到这种传输，线路中的阻抗必须和发射端的阻抗相等，称为阻抗匹配(impedance-matching)。
如果传输线的特征阻抗跟负载阻抗不匹配时，在负载端就会产生反射。当负载阻抗大于特征阻抗时，电压信号发生正向反射，电流信号发生负向反射；反之，当负载阻抗小于特征阻抗时，电压信号发生负向反射，电流信号发生正向反射。事实上当走线的几何形状、不正确的线端接、经过连接器的传输及电源平面的不连续等因素的变化均会导致此类反射。减小和消除反射的方法是根据传输线的特征阻抗在其发射端或接收端进行终端阻抗匹配，从而使反射系数等于0，这种情况称传输线阻抗达到了完全匹配，没有任何信号反射，这是射频电路设计时的理想情况。因此在进行PCB走线时，应尽量使传输线在各处的特征阻抗相同。
在设计射频PCB电路时，阻抗匹配是设计的要素之一。而阻抗值跟走线方式有绝对的关系，例如是走在表面层(Microstrip)或内层(stripline／Double Stripline)，与参考的电源层或地层的距离，走线宽度，PCB材质等均会影响走线的特征阻抗值。也就是蜕要在走线后才能确定阻抗值，同时不同PCB生产厂家生产出来的特征阻抗也有微小的差别。一般阻抗仿真软件会因线路模型或所使用的数学算法的限制而无法考虑到一些阻抗不连续的走线情况，这时候在原理图上只能预留一些端接(Terminators)，如串联电阻等，来缓和走线阻抗不连续的效应。真正根本解决问题的方法还是走线时尽量注意避免阻抗不连续的发生。
1.3 阻抗控制
在PCB板上，传输线分为2种：微带线(microstrip)；带状线(stripline)。微带线阻抗近似计算公式为：
其中：ZO为微带线的阻抗；εr为电介质的介电常数；t为传输线的厚度；ω为传输线的宽度；h为电介质绝缘层的厚度。
带状线阻抗近似计算公式为：
其中：ZO为带状线的阻抗；εr为电介质的介电常数；t为传输线的厚度；ω为传输线的宽度；h为电介质绝缘层的厚度。
影响PCB走线阻抗的因素主要有：传输线的宽度(ω)，传输线的厚度(t)，介质的介电常数(εr)，介质的厚度(h)，焊盘的厚度，地线的路径，传输线的线间距等。在具体加工和设计PCB的阻抗时，一般控制其主要因素：εr(介电常数)，h(介质厚度)，ω(传输线宽度)。
(1)εr(介电常数)
介电常数随着频率的增加而减小，所以在实际应用中应根据工作频率确定材料的介电常数，一般选用平均值即可满足要求。通常情况下选用的材料为FR-4，FR-4的εr也随信号频率的变化有一定改变，不过在1 GHz以下一般认为FR-4材料的εr值约为4.2。使用频率为1.5～2.0 GHz时εr仍有下降的空间。故设计时若有阻抗的要求，则必须考虑该产品当时的使用频率。
(2)h(介质层厚度)
从式(2)，式(3)中可看出特征阻抗ZO是与介质厚度的自然对数成正比的，因而可知介质厚度越厚，其特征阻抗越大，所以介质厚度是影响特征阻抗的一个主要因素。在实际生产中足选用不同型号的半同化片作为绝缘介质，根据半固化片的数量确定绝缘介质的厚度。特征阻抗将随着介质厚度的增加而增大，所以对于特征阻抗严格控制的高频线路来说，对覆铜板的介质厚度的误差应提出严格要求。
(3)ω(传输线宽度)
该因素根据需要的特征阻抗由设计人员给出。但在设计时应充分考虑线宽对该阻抗值的配合性，即为达到该阻抗值在一定的h，εr，和使用频率等条件下线宽的使用是有一定限制的。
PCB设计师在计算阻抗控制值时应当事先与PCB生产厂家的工程师协商，明确产品性能，了解工艺参数，选择合适的特征阻抗计算软件来确定介质层厚度，线宽和间距。PCB生产厂家根据自己生产的工艺参数，适当修正设计者的设计值，比如线宽、间距或层间厚度，提供合理的阻抗值区间来达到设计要求。
目前计算特征阻抗的软件众多，但广泛使用的是英国Polar公司的SI8000软件。Polar SI8000控制阻抗设计系统是一个综合控制阻抗设计辅助工具，功能强大、阻抗模块形象化、计算快速准确、操作简单。该软件的最基本原理是传输线的阻抗近似计算式(式(2)，式(3))，因此PolarSI8000仍然是基于传输线横截面模型的二维仿真软件，无法考虑到一些阻抗不连续的走线情况，这往往增加了我们设计的难度。
2 GPS射频输入端的阻抗控制
GPS接收机主要由4部分组成：天线、射频前端(射频模块)、相关器和导航解算部分。其中，天线主要负责信号的接收；射频前端则接受天线传送过来的信号并进行下变频，他是所有后端处理的基础，其接受信号的能力直接影响接收机的性能。因此，射频模块输入端的传输线设计非常重要，传输线设计的好坏以及天线输出端到射频模块输入端的阻抗是否匹配，直接影响到GPS接收机的信号质量。在设计中天线输出端与射频模块输入端的阻抗不匹配，会导致整个GPS接收机性能的下降。
在PCB板级的电路设计时需要对射频模块输入端的传输线进行阻抗控制，控制值为50 Ω，并利用LC匹配网络来进行阻抗匹配，这就需要对传输线的宽度、厚度、走线方式等都进行考虑。首先利用一般的阻抗计算软件对传输线进行阻抗控制的初步计算。PCB板材采用FR-4，PCB厂商所提供的资料为：介电常数εr=4.3，介质层厚度h=11.2 mil，传输线厚度t=1.4 mil。GPS的工作频率为1 575 MHz，现根据需要，取线问距D=28 mil。利用阻抗计算软件Polar SI8000来计算传输线的线宽，代入数值，计算出应取的传输线宽度为22 mil。
其次，要考虑传输线不同走线方式对阻抗控制效果的影响。所要设计的传输线有以下两种走线方式：
图3中走线方式1为并联电窬焊盘引脚直接在传输线上，图4中走线方式2为并联电容焊盘通过另一段传输线与所要控制的传输线相接。两种走线方式中哪一种对阻抗控制更为优化呢?为解决这个问题，我们可以求助于安捷伦(Agilent)公司的射频电路仿真软件ADS2005AMomentum。
Momentum是ADS(Advanced Design System)中的三维平面电磁场仿真器。使用Momentum可以计算微带线、带状线、共面波导等的电磁特征，天线的辐射特征，以及电路板上的寄生、耦合效应。Momentum采用的计算方法为矩量法(Mothods of Moments，MoM)，在仿真时能产生准确地EM模型，并考虑耦合和寄生效应，仿真结果为S参数或产生远区辐射场形以及表面电流的分布图形。
Momentum对传输线进行三维的平面电磁场仿真，把传输线的走线情况考虑在内，因而其结果更为精确。为了了解图2和图3中两种走线方式的优劣，首先，把图3中走线方式1的PCB版图转化为DXF格式，导人Momentum中，然后对其进行介电常数，介质厚度以及传输线宽度，厚度等参数的设置，并设定仿真频率的范围，最后进行仿真。对图4中走线方式2也进行同样操作，最后得出S参数的仿真结果。通过仿真结果中的S参数我们可以利用相关公式计算出所求传输线的阻抗参数，如图5，图6所示。
由图5可以看出：走线方式1中传输线的特征阻抗为ZO*(0.959-j0.154)，约为47.95 Ω；由图6知，走线方式2中传输线的特征阻抗为ZO*(0.908～j0.228)，约为45.4 Ω。可见走线方式1的阻抗控制比走线方式2的要好。
从理论上分析，走线方式2 中通过一段传输线连到焊盘引脚上，在两段传输线交汇处是直角走线，传输线的线宽发生突变，从而造成阻抗的不连续。阻抗不连续会造成信号的反射，引起了阻抗失配，所以阻抗控制的效果不理想。通过Momentum的仿真分析，可知该理论分析是真确的。因此，选择走线方式1可以更好地进行阻抗控制，并有利于进行阻抗的匹配。
3 结 语
阻抗控制是一个比较复杂的问题，本文对传输线特征阻抗的物理含义、匹配和控制进行了比较深入的探讨，详细分析了GPS模块射频输入端的阻抗控制问题．并利用ADS momentum对其进行了优化。在实际的设计过程中，GPS模块射频输入端的PCB上的走线需要合理设计，以便更好地进行阻抗匹配，提高接收信号的质量，进而保证整个接收机的性能。
