了解互连和天線(xiàn)上的驻波图

2021-04-06

電(diàn)磁波的反射是物(wù)理(lǐ)系统中的基本现象，但在電(diàn)子设备中可(kě)能(néng)并不需要。在诸如PCB中的传输線(xiàn)之类的导電(diàn)元件上形成的驻波图会发出强烈的辐射，这可(kě)能(néng)不是理(lǐ)想的。对于天線(xiàn)而言，驻波是自然的，并且会在特定频率下产生强辐射，而它们却会对传输線(xiàn)造成干扰。

当您想要控制驻波图时，您需要通过阻抗控制和阻抗匹配来设计互连和天線(xiàn)中的反射。根据阻抗失配的程度，您可(kě)以了解使用(yòng)谐波信号驱动时在互连上希望看到的驻波模式。对于诸如数字脉冲之类的宽带信号，结果要复杂得多(duō)，但是相同的概念可(kě)以通过正确的PCB设计和分(fēn)析工具集应用(yòng)。

反射如何形成驻波模式

驻波可(kě)以在许多(duō)物(wù)理(lǐ)系统中形成，并且在某些情况下，驻波对应于系统本征模的共振频率。在電(diàn)子产品中，当在互连上传播的電(diàn)磁波反射出具有(yǒu)阻抗失配的接口时，就会形成驻波。

当反射波和入射波完全同相时，会形成驻波，该驻波沿互连線(xiàn)的長(cháng)度显示為(wèi)固定的正弦波。

如果沿着包含驻波的互连的整个長(cháng)度看電(diàn)场，则電(diàn)场看起来就像是驻波。驻波可(kě)形成一定范围的频率。这意味着，如果互连的一端有(yǒu)反射，则单谐波交流電(diàn)源可(kě)以激发强大的声望。如下图所示：

基波（n = 1）和高阶（n> 1）谐波的驻波模式。

在这里，我们需要两条信息来计算驻波激发频率，并描述互连上的波的反射和叠加：

反射系数：界面处的反射系数用(yòng)于描述波从界面反射时所经历的强度和相移。 

互连或天線(xiàn)的長(cháng)度：一旦发生反射，波将通过结构的長(cháng)度向后传播。驻波图案将仅在電(diàn)气较長(cháng)的结构上形成，其長(cháng)度将确定允许的驻波频率/波長(cháng)。

波的传播速度：波的传播速度（即互连上的光速）将决定驻波的波長(cháng)，从而决定可(kě)激发驻波的特定频率。

阻抗不匹配时发生的反射可(kě)能(néng)会在传输線(xiàn)上，传输線(xiàn)与天線(xiàn)之间的界面上或天線(xiàn)内发生。让我们看一下每种情况，以更好地了解这些驻波模式是如何形成的。

传输線(xiàn)

為(wèi)了处理(lǐ)传输線(xiàn)，我们需要使用(yòng)反射结构中的源极和负载侧阻抗来计算的反射系数。下图显示了当交流谐波谐波从两个通用(yòng)阻抗反射而来时可(kě)能(néng)形成的驻波模式，两个阻抗在互连的每一端。这是传输線(xiàn)中的常见示例，其中负载具有(yǒu)特定的阻抗值，并且可(kě)能(néng)在其输出端终止。当传输線(xiàn)足够長(cháng)时，反射系数根据传输線(xiàn)的特性阻抗和负载阻抗定义在界面上。

互连中的反射系数和驻波图形成。

在特定频率下，传输線(xiàn)将支持上面所示的那种驻波图。在線(xiàn)路外部，一些功率被传输到负载，这可(kě)能(néng)会遭受線(xiàn)路外部的损耗。该负载可(kě)能(néng)是一些简单的组件，天線(xiàn)或复杂的電(diàn)路。通常，不需要这些驻波图，因為(wèi)線(xiàn)路上存在大的振荡，会产生辐射。由于線(xiàn)路和天線(xiàn)之间的不匹配，这些振荡也可(kě)能(néng)在天線(xiàn)馈線(xiàn)上发生。但是，在天線(xiàn)内部，情况却有(yǒu)所不同。

天線(xiàn)驻波

由于天線(xiàn)开口端的阻抗不匹配，会在天線(xiàn)上形成驻波。对于超出天線(xiàn)边界的空气，存在阻抗不匹配的情况。在特定的频率下，可(kě)以激发一个与天線(xiàn)结构的特定本征模式相对应的驻波图，类似于在谐振腔或波导中发生的情况。调整模态频率是天線(xiàn)设计中的一项重要任務(wù)，并且仍然是一个持续的研究课题。

尽管天線(xiàn)具有(yǒu)驻波，但我们不希望驻波的地方是馈線(xiàn)。馈線(xiàn)中的驻波会干扰PCB的其他(tā)部分(fēn)，因此需要消除天線(xiàn)输入处的反射。这是我们使用(yòng)阻抗匹配网络将天線(xiàn)输入阻抗和馈線(xiàn)特性阻抗设置為(wèi)相等的原因之一。

提取宽带信号的阻抗和S参数

对于宽带信号，我们需要系统的S参数，因為(wèi)这是处理(lǐ)反射的最佳方法。除非特定的频率主导了信号的功率谱，否则不一定会形成如上所示的相干驻波图。為(wèi)了最好地了解宽带信号如何与谐振结构相互作用(yòng)，最好使用(yòng)S参数。最好的设计软件可(kě)以直接从您的布局确定阻抗和网络参数，从而使您能(néng)够识别强烈的反射和布局中驻波的潜力。