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技術(shù)專題
了解互連和天線上的駐波圖
電磁波的反射是物理系統(tǒng)中的基本現(xiàn)象，但在電子設(shè)備中可能并不需要。在諸如PCB中的傳輸線之類的導(dǎo)電元件上形成的駐波圖會(huì)發(fā)出強(qiáng)烈的輻射，這可能不是理想的。對(duì)于天線而言，駐波是自然的，并且會(huì)在特定頻率下產(chǎn)生強(qiáng)輻射，而它們卻會(huì)對(duì)傳輸線造成干擾。
當(dāng)您想要控制駐波圖時(shí)，您需要通過(guò)阻抗控制和阻抗匹配來(lái)設(shè)計(jì)互連和天線中的反射。根據(jù)阻抗失配的程度，您可以了解使用諧波信號(hào)驅(qū)動(dòng)時(shí)在互連上希望看到的駐波模式。對(duì)于諸如數(shù)字脈沖之類的寬帶信號(hào)，結(jié)果要復(fù)雜得多，但是相同的概念可以通過(guò)正確的PCB設(shè)計(jì)和分析工具集應(yīng)用。
反射如何形成駐波模式
駐波可以在許多物理系統(tǒng)中形成，并且在某些情況下，駐波對(duì)應(yīng)于系統(tǒng)本征模的共振頻率。在電子產(chǎn)品中，當(dāng)在互連上傳播的電磁波反射出具有阻抗失配的接口時(shí)，就會(huì)形成駐波。
當(dāng)反射波和入射波完全同相時(shí)，會(huì)形成駐波，該駐波沿互連線的長(zhǎng)度顯示為固定的正弦波。
如果沿著包含駐波的互連的整個(gè)長(zhǎng)度看電場(chǎng)，則電場(chǎng)看起來(lái)就像是駐波。駐波可形成一定范圍的頻率。這意味著，如果互連的一端有反射，則單諧波交流電源可以激發(fā)強(qiáng)大的聲望。如下圖所示：
基波（n = 1）和高階（n> 1）諧波的駐波模式。
在這里，我們需要兩條信息來(lái)計(jì)算駐波激發(fā)頻率，并描述互連上的波的反射和疊加：
反射系數(shù)：界面處的反射系數(shù)用于描述波從界面反射時(shí)所經(jīng)歷的強(qiáng)度和相移。
互連或天線的長(zhǎng)度：一旦發(fā)生反射，波將通過(guò)結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)度向后傳播。駐波圖案將僅在電氣較長(zhǎng)的結(jié)構(gòu)上形成，其長(zhǎng)度將確定允許的駐波頻率/波長(zhǎng)。
波的傳播速度：波的傳播速度（即互連上的光速）將決定駐波的波長(zhǎng)，從而決定可激發(fā)駐波的特定頻率。
阻抗不匹配時(shí)發(fā)生的反射可能會(huì)在傳輸線上，傳輸線與天線之間的界面上或天線內(nèi)發(fā)生。讓我們看一下每種情況，以更好地了解這些駐波模式是如何形成的。
傳輸線
為了處理傳輸線，我們需要使用反射結(jié)構(gòu)中的源極和負(fù)載側(cè)阻抗來(lái)計(jì)算的反射系數(shù)。下圖顯示了當(dāng)交流諧波諧波從兩個(gè)通用阻抗反射而來(lái)時(shí)可能形成的駐波模式，兩個(gè)阻抗在互連的每一端。這是傳輸線中的常見(jiàn)示例，其中負(fù)載具有特定的阻抗值，并且可能在其輸出端終止。當(dāng)傳輸線足夠長(zhǎng)時(shí)，反射系數(shù)根據(jù)傳輸線的特性阻抗和負(fù)載阻抗定義在界面上。
互連中的反射系數(shù)和駐波圖形成。
在特定頻率下，傳輸線將支持上面所示的那種駐波圖。在線路外部，一些功率被傳輸?shù)截?fù)載，這可能會(huì)遭受線路外部的損耗。該負(fù)載可能是一些簡(jiǎn)單的組件，天線或復(fù)雜的電路。通常，不需要這些駐波圖，因?yàn)榫€路上存在大的振蕩，會(huì)產(chǎn)生輻射。由于線路和天線之間的不匹配，這些振蕩也可能在天線饋線上發(fā)生。但是，在天線內(nèi)部，情況卻有所不同。
天線駐波
由于天線開(kāi)口端的阻抗不匹配，會(huì)在天線上形成駐波。對(duì)于超出天線邊界的空氣，存在阻抗不匹配的情況。在特定的頻率下，可以激發(fā)一個(gè)與天線結(jié)構(gòu)的特定本征模式相對(duì)應(yīng)的駐波圖，類似于在諧振腔或波導(dǎo)中發(fā)生的情況。調(diào)整模態(tài)頻率是天線設(shè)計(jì)中的一項(xiàng)重要任務(wù)，并且仍然是一個(gè)持續(xù)的研究課題。
盡管天線具有駐波，但我們不希望駐波的地方是饋線。饋線中的駐波會(huì)干擾PCB的其他部分，因此需要消除天線輸入處的反射。這是我們使用阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)將天線輸入阻抗和饋線特性阻抗設(shè)置為相等的原因之一。
提取寬帶信號(hào)的阻抗和S參數(shù)
對(duì)于寬帶信號(hào)，我們需要系統(tǒng)的S參數(shù)，因?yàn)檫@是處理反射的最佳方法。除非特定的頻率主導(dǎo)了信號(hào)的功率譜，否則不一定會(huì)形成如上所示的相干駐波圖。為了最好地了解寬帶信號(hào)如何與諧振結(jié)構(gòu)相互作用，最好使用S參數(shù)。最好的設(shè)計(jì)軟件可以直接從您的布局確定阻抗和網(wǎng)絡(luò)參數(shù)，從而使您能夠識(shí)別強(qiáng)烈的反射和布局中駐波的潛力。