微波電路PCB設(shè)計(jì)——駐波和駐波系數(shù)

1. 駐波概念

當(dāng)PCB傳輸線端子的負(fù)載短路時(shí)，ZL=0，使得入射波和反射波的電壓幅值相等但相位相反（相位差π），使得電壓波 終端的全部相互抵消并變?yōu)榱恪?/p>

末相移后形成的反射波從右向左移動(dòng)。 沿著PCB傳輸線，兩者相加，形成另一種波分布形式，即駐波。

當(dāng)PCB傳輸線上形成駐波時(shí)，能量不再沿線路傳輸，仿佛“駐扎”在PCB傳輸線上（對(duì)應(yīng)行波狀態(tài)）。 余弦電壓波的駐波表達(dá)式可推導(dǎo)如下：

u=Um(t) Sin β 其中 Um (t)=2Um Sin ω t

可以看出，電壓沿PCB傳輸線按簡(jiǎn)諧波規(guī)律分布，其幅值Um(t)隨時(shí)間變化，而節(jié)點(diǎn)（電壓或電流始終為零的點(diǎn)）的分布規(guī)律 ）和腹側(cè)點(diǎn)（最大值點(diǎn)）不隨時(shí)間變化，從而形成周期性脈動(dòng)簡(jiǎn)諧波。

還可以看出，電流駐波具有相同的分布規(guī)律，只是節(jié)點(diǎn)（或腹部）位移了1/4波長(zhǎng)，并且它們與短路之間的距離是1/4波長(zhǎng)的整數(shù)倍 。

2. 駐波系數(shù)S（又稱電壓駐波比）

實(shí)際上，上述純駐波并不存在。 由于PCB傳輸線的損耗，駐波總是小于行波，即兩者同時(shí)出現(xiàn)。 即使負(fù)載完全匹配，PCB 傳輸線的實(shí)際不對(duì)稱性（幾何尺寸）也會(huì)導(dǎo)致能量部分反射，從而產(chǎn)生駐波。 也就是說(shuō)，實(shí)際上，駐波是疊加在行波上的非純駐波。

純駐波是指入射波A的振幅等于反射波B的振幅，即反射系數(shù)Г=1（注：Г復(fù)模），非純駐波是指B<A，Г< 1。為了綜合測(cè)量實(shí)際PCB傳輸線上存在的各種駐波狀態(tài)，通常采用電壓駐波系數(shù)-S參數(shù)來(lái)測(cè)量。

參數(shù)S表示PCB傳輸線駐波腹點(diǎn)電壓Umax與節(jié)點(diǎn)電壓Umin的比值，即S=Umax/Umin

可以證明Umax=A+B； Umin=A-B

則S=(1+Г)/（1-Г）

其中Г=A/B為反射系數(shù)模，則有Г=(S-1)/(S+1)，因?yàn)椐?0~1，所以S參數(shù)為等于或大于1的正數(shù)。

可見(jiàn)，當(dāng)負(fù)載完全匹配時(shí)，Г= 0，S=1。

由上可見(jiàn)，駐波系數(shù)S可以充分表征高頻信號(hào)（特別是微波信號(hào)）傳輸?shù)墓ぷ鳡顟B(tài)。 在微波電路中，一般情況下S=1.05-3。

當(dāng)表征某些具有集總參數(shù)特性的元件時(shí)，有時(shí)S參數(shù)也稱為耗散或散射系數(shù)。 無(wú)論是耗散還是散射，直接因素都是駐波。 因此，用VSWR來(lái)表征元件的S參數(shù)是最合適的——因?yàn)閂SWR可以幫助理解一些電路中的微觀概念，并結(jié)合其進(jìn)出PCB傳輸線來(lái)測(cè)量其特性。

綜上所述，微波電路PCB設(shè)計(jì)原則如下：

• 駐波是實(shí)際電路不穩(wěn)定或不符合設(shè)計(jì)要求的根本原因之一。 設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)充分保證S參數(shù)盡可能接近1，即S參數(shù)越小越好（通常S=1.05-3）。

• 在實(shí)際應(yīng)用中，測(cè)量駐波系數(shù)比測(cè)量反射系數(shù)簡(jiǎn)單得多。 因此，測(cè)量技術(shù)中一般只采用駐波系數(shù)。

• 較長(zhǎng)的地線或架空線（包括PCB設(shè)計(jì)或加工造成的微小毛刺等各種形式）會(huì)形成較強(qiáng)的駐波，從而形成輻射干擾。

• 過(guò)多的反射波會(huì)干擾信號(hào)源（包括信號(hào)處理鏈路的相關(guān)“源”）。
  

• 駐波會(huì)干擾信號(hào)的正常傳輸，降低信噪比。
  

• S 參數(shù)的值取決于反射系數(shù)，即取決于PCB 和負(fù)載端的傳輸線特性。 因此，在PCB設(shè)計(jì)時(shí)，不僅要考慮走線特性，還要充分考慮各信號(hào)走線的傳輸端負(fù)載的匹配設(shè)計(jì)。 這是保證電路質(zhì)量的基礎(chǔ)。
  

• 不要孤立地研究元件的S 參數(shù)。 必須結(jié)合其輸入輸出信號(hào)傳輸接線進(jìn)行綜合測(cè)量，即結(jié)合具體元件組合的網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行考察。 電路板組裝、電路板設(shè)計(jì)、電路板加工廠家講解微波電路PCB設(shè)計(jì)——駐波和駐波系數(shù)。