By Cadence
本文要點
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具有相位匹配的(de)電磁波反射會導緻傳輸線中的(de)駐波模式。 |
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對於天線來說，天線中的(de)駐波模式是有益的(de)，而對於傳輸線而言，駐波模式會形成不利的(de)輻射源。 |
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傳輸線和(hé)天線設計師需要謹慎使用(yòng)阻抗匹配來控制駐波的(de)形成。 |
電磁波的(de)反射是物(wù)理(lǐ)系統中的(de)一個基本現象，但在電子產品中最好不要出現。在導電元件 (如 PCB 中的(de)傳輸線) 上形成的(de)駐波模式會發出強烈的(de)輻射，這並不是理(lǐ)想狀態。對於天線來說，駐波是一種稀鬆平常的(de)現象，會在特定的(de)頻率上產生強烈的(de)輻射，而在傳輸線上，駐波卻會帶來麻煩。
要控制駐波模式，需要利用(yòng)阻抗控制和(hé)阻抗匹配在互連和(hé)天線中設計反射。根據阻抗不匹配的(de)程度，可(kě)以瞭解在用(yòng)諧波訊號驅動時，互連上會出現哪種駐波模式。對於像數位脈衝這樣的(de)寬頻訊號，結果更為複雜，但可(kě)以透過正確的(de) PCB 設計和(hé)分(fēn)析工具來如法炮製。
駐波模式可(kě)以在天線元件上形成，以實現高(gāo)增益和(hé)高(gāo)指向性。
什(shén)麼是駐波模式？
駐波模式 (Standing wave patterns) 是在傳輸線上特定位置出現的(de)一系列波峰和(hé)波谷。當入射波到達傳輸線的(de)末端時，會被反射回來。這導緻反射波與入射波相互幹擾。在特定頻率下(xià)，兩種波的(de)幹擾會呈現為一個具有一系列節點和(hé)腹點的(de)「駐立不動」的(de)波。
節點 (或稱波節) 是駐波上幅度為0的(de)位置，而腹點 (或稱腹點) 是指波上擺幅最大(dà)的(de)位置。駐波上的(de)腹點數量取決於傳輸線的(de)長度。當傳輸線的(de)長度正好是行波波長的(de)一半時，就會出現帶有一個腹點的(de)第一個諧波駐波。
駐波模式對傳輸線和(hé)天線的(de)影(yǐng)響
駐波可(kě)以在許多(duō)物(wù)理(lǐ)系統中形成，在某些情況下(xià)，駐波與系統本徵模式的(de)諧振頻率相對應。在電子學中，在互連上傳播的(de)電磁波在阻抗不匹配的(de)介面上反射時，就會形成駐波。
當反射波和(hé)入射波完全同相時，就會形成駐波，看起來就像是沿著互連的(de)一個靜止的(de)正弦波。
如果沿著包含駐波的(de)互連觀察電場，電場看起來像一個靜止的(de)波。駐波可(kě)以在一定的(de)頻率範圍內形成。這意味著，如果在傳輸線的(de)一端有一些反射，一個單諧波交流源可(kě)以激發出強烈的(de)駐波。
駐波模式示例。(圖片來源：Wikimedia Commons)
我們需要兩個參數來計算(suàn)駐波激勵頻率，並描述波在傳輸線上的(de)反射和(hé)疊加。
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反射係數 |
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介面處的(de)反射係數用(yòng)於描述波從介面處反射時的(de)強度和(hé)相移。 |
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互連或天線的(de)長度 |
一旦發生反射，波就會沿著結構的(de)長度方向返回。駐波模式隻會在具有電長度的(de)結構上形成，而長度將決定允許的(de)駐波頻率 / 波長。 |
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波的(de)傳播速度 |
波的(de)傳播速度 (即互連上的(de)光(guāng)速) 將決定駐波的(de)波長，從而決定能激發駐波的(de)特定頻率。 |
在阻抗不匹配處發生的(de)反射可(kě)以發生在傳輸線上、傳輸線和(hé)天線之間的(de)介面處，或在天線內。我們來分(fēn)別看看每種情況，以便更好地瞭解這些駐波模式是如何形成的(de)。
傳輸線
對於傳輸線，我們需要用(yòng)到反射係數，反射係數是用(yòng)反射結構中的(de)源和(hé)負載側阻抗計算(suàn)出來的(de)。下(xià)圖顯示了(le)當諧波交流波從兩個一般阻抗上反射時可(kě)能形成的(de)駐波模式，這兩個阻抗分(fēn)別位於互連的(de)兩端。這是傳輸線中的(de)一個常見例子：負載具有一些特定的(de)阻抗值，並可(kě)能在輸出端端接。當傳輸線足夠長時，反射係數在介面處以傳輸線的(de)特性阻抗和(hé)負載阻抗來定義。
傳輸線中的(de)反射係數和(hé)訊號流。(圖片來源：Wikimedia Commons)
在特定的(de)頻率下(xià)，傳輸線將支援上面所示的(de)那種駐波模式。在傳輸線外部，一些功率被傳輸到負載，同時在傳輸線外可(kě)能出現損失。該負載可(kě)能是一些簡單的(de)元件：一個天線，或一個複雜的(de)電路。一般來說，我們不希望出現這些駐波模式，因為線路上有較大(dà)的(de)振盪，會產生輻射。由於線路和(hé)天線之間的(de)不匹配，此類振盪也(yě)可(kě)能發生在天線饋線上。然而，在天線內部，情況有所不同。
天線駐波
由於天線開放端的(de)阻抗不匹配，在天線上確實會形成駐波。相對於天線邊界以外的(de)空氣來說，存在阻抗不匹配。在特定的(de)頻率下(xià)，可(kě)以激發駐波模式，與天線結構的(de)特定本征模式相對應，類似於在諧振腔或波導中出現的(de)情況。定制模態頻率是天線設計中的(de)一項重要任務，並且至今仍是一個持續進行的(de)研究課題。
儘管天線有駐波，但我們不希望駐波發生在饋線中。饋線中的(de)駐波會對 PCB 的(de)其他(tā)部分(fēn)產生幹擾，因此需要消除天線輸入端的(de)反射。這就是我們使用(yòng)阻抗匹配網路來設置天線輸入阻抗等於饋線特性阻抗的(de)原因之一。
提取寬頻訊號的(de)阻抗和(hé) S 參數
對於寬頻訊號，我們需要知道系統的(de) S 參數，因為這是消除反射最好的(de)方法。除非一個特定的(de)頻率在訊號的(de)功率譜上占主導地位，否則不一定會形成上述相幹駐波模式。要瞭解寬頻訊號與諧振結構的(de)相互作用(yòng)，最好是使用(yòng) S 參數。優秀的(de)設計軟體可(kě)以直接從 layout 中確定阻抗和(hé)網路參數，從而在 layout 中找到強反射和(hé)潛在的(de)駐波。
要預測駐波模式，就需要借助高(gāo)品質的(de) PCB 設計和(hé)分(fēn)析軟體來評估 PCB layout。Cadence Allegro PCB Designer 整合了(le) Sigrity XcitePI Extraction 中的(de) S 參數提取功能，並包括一套完整的(de) PCB 設計和(hé) layout 功能，確保您可(kě)以使用(yòng)業界最出色的(de)設計工具來構建和(hé)優化(huà)互連，從而控制駐波。
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