微波電路PCB設計——駐波和駐波系數

1. 駐波概念

當PCB傳輸線端子的負載短路時，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為零。

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

當PCB傳輸線上形成駐波時，能量不再沿線路傳輸，仿佛“駐扎”在PCB傳輸線上（對應行波狀態）。 余弦電壓波的駐波表達式可推導如下：

u=Um(t) Sin β 其中 Um (t)=2Um Sin ω t

可以看出，電壓沿PCB傳輸線按簡諧波規律分布，其幅值Um(t)隨時間變化，而節點（電壓或電流始終為零的點）的分布規律 ）和腹側點（最大值點）不隨時間變化，從而形成周期性脈動簡諧波。

還可以看出，電流駐波具有相同的分布規律，只是節點（或腹部）位移了1/4波長，并且它們與短路之間的距離是1/4波長的整數倍 。

2. 駐波系數S（又稱電壓駐波比）

實際上，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，即兩者同時出現。 即使負載完全匹配，PCB 傳輸線的實際不對稱性（幾何尺寸）也會導致能量部分反射，從而產生駐波。 也就是說，實際上，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Г=1（注：Г復模），非純駐波是指B<A，Г< 1。為了綜合測量實際PCB傳輸線上存在的各種駐波狀態，通常采用電壓駐波系數-S參數來測量。

參數S表示PCB傳輸線駐波腹點電壓Umax與節點電壓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為反射系數模，則有Г=(S-1)/(S+1)，因為Г=0~1，所以S參數為等于或大于1的正數。

可見，當負載完全匹配時，Г= 0，S=1。

由上可見，駐波系數S可以充分表征高頻信號（特別是微波信號）傳輸的工作狀態。 在微波電路中，一般情況下S=1.05-3。

當表征某些具有集總參數特性的元件時，有時S參數也稱為耗散或散射系數。 無論是耗散還是散射，直接因素都是駐波。 因此，用VSWR來表征元件的S參數是最合適的——因為VSWR可以幫助理解一些電路中的微觀概念，并結合其進出PCB傳輸線來測量其特性。

綜上所述，微波電路PCB設計原則如下：

• 駐波是實際電路不穩定或不符合設計要求的根本原因之一。 設計時應充分保證S參數盡可能接近1，即S參數越小越好（通常S=1.05-3）。

• 在實際應用中，測量駐波系數比測量反射系數簡單得多。 因此，測量技術中一般只采用駐波系數。

• 較長的地線或架空線（包括PCB設計或加工造成的微小毛刺等各種形式）會形成較強的駐波，從而形成輻射干擾。

• 過多的反射波會干擾信號源（包括信號處理鏈路的相關“源”）。
  

• 駐波會干擾信號的正常傳輸，降低信噪比。
  

• S 參數的值取決于反射系數，即取決于PCB 和負載端的傳輸線特性。 因此，在PCB設計時，不僅要考慮走線特性，還要充分考慮各信號走線的傳輸端負載的匹配設計。 這是保證電路質量的基礎。
  

• 不要孤立地研究元件的S 參數。 必須結合其輸入輸出信號傳輸接線進行綜合測量，即結合具體元件組合的網絡進行考察。 電路板組裝、電路板設計、電路板加工廠家講解微波電路PCB設計——駐波和駐波系數。