By Cadence
本文要點
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具有相位匹配的電磁波反射會導致傳輸線中的駐波模式。 |
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對於天線來說，天線中的駐波模式是有益的，而對於傳輸線而言，駐波模式會形成不利的輻射源。 |
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傳輸線和天線設計師需要謹慎使用阻抗匹配來控制駐波的形成。 |
電磁波的反射是物理系統中的一個基本現象，但在電子產品中最好不要出現。在導電元件 (如 PCB 中的傳輸線) 上形成的駐波模式會發出強烈的輻射，這並不是理想狀態。對於天線來說，駐波是一種稀鬆平常的現象，會在特定的頻率上產生強烈的輻射，而在傳輸線上，駐波卻會帶來麻煩。
要控制駐波模式，需要利用阻抗控制和阻抗匹配在互連和天線中設計反射。根據阻抗不匹配的程度，可以瞭解在用諧波訊號驅動時，互連上會出現哪種駐波模式。對於像數位脈衝這樣的寬頻訊號，結果更為複雜，但可以透過正確的 PCB 設計和分析工具來如法炮製。
駐波模式可以在天線元件上形成，以實現高增益和高指向性。
什麼是駐波模式？
駐波模式 (Standing wave patterns) 是在傳輸線上特定位置出現的一系列波峰和波谷。當入射波到達傳輸線的末端時，會被反射回來。這導致反射波與入射波相互干擾。在特定頻率下，兩種波的干擾會呈現為一個具有一系列節點和腹點的「駐立不動」的波。
節點 (或稱波節) 是駐波上幅度為0的位置，而腹點 (或稱腹點) 是指波上擺幅最大的位置。駐波上的腹點數量取決於傳輸線的長度。當傳輸線的長度正好是行波波長的一半時，就會出現帶有一個腹點的第一個諧波駐波。
駐波模式對傳輸線和天線的影響
駐波可以在許多物理系統中形成，在某些情況下，駐波與系統本徵模式的諧振頻率相對應。在電子學中，在互連上傳播的電磁波在阻抗不匹配的介面上反射時，就會形成駐波。
當反射波和入射波完全同相時，就會形成駐波，看起來就像是沿著互連的一個靜止的正弦波。
如果沿著包含駐波的互連觀察電場，電場看起來像一個靜止的波。駐波可以在一定的頻率範圍內形成。這意味著，如果在傳輸線的一端有一些反射，一個單諧波交流源可以激發出強烈的駐波。
駐波模式示例。(圖片來源：Wikimedia Commons)
我們需要兩個參數來計算駐波激勵頻率，並描述波在傳輸線上的反射和疊加。
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反射係數 |
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介面處的反射係數用於描述波從介面處反射時的強度和相移。 |
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互連或天線的長度 |
一旦發生反射，波就會沿著結構的長度方向返回。駐波模式只會在具有電長度的結構上形成，而長度將決定允許的駐波頻率 / 波長。 |
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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，從而決定能激發駐波的特定頻率。 |
在阻抗不匹配處發生的反射可以發生在傳輸線上、傳輸線和天線之間的介面處，或在天線內。我們來分別看看每種情況，以便更好地瞭解這些駐波模式是如何形成的。
傳輸線
對於傳輸線，我們需要用到反射係數，反射係數是用反射結構中的源和負載側阻抗計算出來的。下圖顯示了當諧波交流波從兩個一般阻抗上反射時可能形成的駐波模式，這兩個阻抗分別位於互連的兩端。這是傳輸線中的一個常見例子：負載具有一些特定的阻抗值，並可能在輸出端端接。當傳輸線足夠長時，反射係數在介面處以傳輸線的特性阻抗和負載阻抗來定義。
傳輸線中的反射係數和訊號流。(圖片來源：Wikimedia Commons)
在特定的頻率下，傳輸線將支援上面所示的那種駐波模式。在傳輸線外部，一些功率被傳輸到負載，同時在傳輸線外可能出現損失。該負載可能是一些簡單的元件：一個天線，或一個複雜的電路。一般來說，我們不希望出現這些駐波模式，因為線路上有較大的振盪，會產生輻射。由於線路和天線之間的不匹配，此類振盪也可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空氣來說，存在阻抗不匹配。在特定的頻率下，可以激發駐波模式，與天線結構的特定本征模式相對應，類似於在諧振腔或波導中出現的情況。定制模態頻率是天線設計中的一項重要任務，並且至今仍是一個持續進行的研究課題。
儘管天線有駐波，但我們不希望駐波發生在饋線中。饋線中的駐波會對 PCB 的其他部分產生干擾，因此需要消除天線輸入端的反射。這就是我們使用阻抗匹配網路來設置天線輸入阻抗等於饋線特性阻抗的原因之一。
提取寬頻訊號的阻抗和 S 參數
對於寬頻訊號，我們需要知道系統的 S 參數，因為這是消除反射最好的方法。除非一個特定的頻率在訊號的功率譜上占主導地位，否則不一定會形成上述相干駐波模式。要瞭解寬頻訊號與諧振結構的相互作用，最好是使用 S 參數。優秀的設計軟體可以直接從 layout 中確定阻抗和網路參數，從而在 layout 中找到強反射和潛在的駐波。
要預測駐波模式，就需要借助高品質的 PCB 設計和分析軟體來評估 PCB layout。Cadence Allegro PCB Designer 整合了 Sigrity XcitePI Extraction 中的 S 參數提取功能，並包括一套完整的 PCB 設計和 layout 功能，確保您可以使用業界最出色的設計工具來構建和優化互連，從而控制駐波。
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譯文授權轉載出處 (映陽科技協同校閱)
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