PCB設(shè)計(jì)互連和天線駐波圖的理解

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)備中可能不需要。 在 PCB 板中的傳輸線等導(dǎo)電元件上形成的駐波圖案會(huì)發(fā)出強(qiáng)烈的輻射，這可能并不理想。 對(duì)于天線來(lái)說(shuō)，駐波是自然的，會(huì)在特定頻率產(chǎn)生強(qiáng)烈的輻射，同時(shí)它們會(huì)干擾傳輸線。

當(dāng)你想要控制駐波圖時(shí)，你需要通過(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)阻抗不匹配的程度，您可以了解在使用諧波信號(hào)驅(qū)動(dòng)時(shí)希望在互連上看到的駐波模式。 對(duì)于數(shù)字脈沖等寬帶信號(hào)，結(jié)果要復(fù)雜得多，但可以通過(guò)正確的 PCB 設(shè)計(jì)和分析工具集應(yīng)用相同的概念。

反射如何形成駐波模式

許多物理系統(tǒng)都可以形成駐波，在某些情況下，駐波對(duì)應(yīng)于系統(tǒng)本征模的諧振頻率。 在電子產(chǎn)品中，當(dāng)在互連線上傳播的電磁波反射到阻抗不匹配的界面時(shí)，就會(huì)形成駐波。

當(dāng)反射波與入射波完全同相時(shí)，會(huì)形成駐波，駐波沿互連線長(zhǎng)度顯示為固定的正弦波。

如果觀察沿包含駐波的互連的整個(gè)長(zhǎng)度的電場(chǎng)，電場(chǎng)看起來(lái)像駐波。 駐波可以形成一定范圍的頻率。 這意味著如果在互連的一端存在反射，則單次諧波交流電源可以激發(fā)很強(qiáng)的聲望。 PCB加工廠和PCB組裝廠講解對(duì)天線上PCB設(shè)計(jì)、互連和駐波圖的理解。

這里，我們需要兩條信息來(lái)計(jì)算駐波激勵(lì)頻率和描述波在互連線上的反射和疊加：

反射系數(shù)：界面處的反射系數(shù)用來(lái)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。 駐波圖案只會(huì)在電長(zhǎng)結(jié)構(gòu)上形成，其長(zhǎng)度將決定允許的駐波頻率/波長(zhǎng)。

波的傳播速度：波的傳播速度（即互連線上的光速）將決定駐波的波長(zhǎng)，從而決定能夠激發(fā)駐波的具體頻率。

阻抗不匹配時(shí)發(fā)生的反射可能發(fā)生在傳輸線上、傳輸線與天線之間的界面上或天線中。 讓我們看看每種情況，以更好地理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)中的源端和負(fù)載端阻抗來(lái)計(jì)算反射系數(shù)。 下圖顯示了交流諧波從互連兩端的兩個(gè)公共阻抗反射時(shí)可能形成的駐波模式。 這是傳輸線中的一個(gè)常見(jiàn)示例，其中負(fù)載具有特定的阻抗值并且可能終止于其輸出端。 當(dāng)傳輸線足夠長(zhǎng)時(shí)，根據(jù)傳輸線的特性阻抗和負(fù)載阻抗在接口上定義反射系數(shù)。

形成互連中的反射系數(shù)和駐波圖。

在特定頻率下，傳輸線將支持如上所示的駐波圖。 在線外，部分功率被傳輸?shù)截?fù)載，負(fù)載可能在線外遭受損失。 負(fù)載可能是一些簡(jiǎn)單的元件、天線或復(fù)雜的電路。 通常不需要這些駐波圖，因?yàn)榫€路上有較大的振蕩，會(huì)產(chǎn)生輻射。 由于線路和天線的不匹配，這些振蕩也可能發(fā)生在天饋線上。 然而，在天線內(nèi)部，情況就不同了。

天線駐波

由于天線開(kāi)路端的阻抗不匹配，會(huì)在天線上形成駐波。 對(duì)于天線邊界之外的空氣，存在阻抗失配。 在特定頻率下，可以激發(fā)與天線結(jié)構(gòu)的特定本征模式相對(duì)應(yīng)的駐波模式，類似于諧振器或波導(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)，也是一個(gè)正在進(jìn)行的研究課題。

雖然天線有駐波，但我們不希望駐波所在的地方成為饋線。 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端的反射。 這也是我們采用阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)，使天線輸入阻抗與饋線特性阻抗相等的原因之一。

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@是處理反射最好的方法。 除非特定頻率支配信號(hào)的功率譜，否則可能無(wú)法形成上圖所示的相干駐波圖。 為了最好地理解寬帶信號(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中確定阻抗和網(wǎng)絡(luò)參數(shù)，使您能夠識(shí)別布局中強(qiáng)反射和駐波的可能性。 PCB加工廠和PCB組裝廠講解對(duì)天線上PCB設(shè)計(jì)、互連和駐波圖的理解。