微波电路PCB设计——驻波和驻波系数

微波电路PCB设计——驻波和驻波系数

1. 驻波概念

当PCB传输线端子的负载短路时，ZL=0，使得入射波和反射波的电压幅值相等但相位相反（相位差π），使得电压波 终端的全部相互抵消并变为零。

末相移后形成的反射波从右向左移动。 沿着PCB传输线，两者相加，形成另一种波分布形式，即驻波。

当PCB传输线上形成驻波时，能量不再沿线路传输，仿佛“驻扎”在PCB传输线上（对应行波状态）。 余弦电压波的驻波表达式可推导如下：

u=Um(t) Sin β 其中 Um (t)=2Um Sin ω t

可以看出，电压沿PCB传输线按简谐波规律分布，其幅值Um(t)随时间变化，而节点（电压或电流始终为零的点）的分布规律 ）和腹侧点（最大值点）不随时间变化，从而形成周期性脉动简谐波。

还可以看出，电流驻波具有相同的分布规律，只是节点（或腹部）位移了1/4波长，并且它们与短路之间的距离是1/4波长的整数倍 。

2. 驻波系数S（又称电压驻波比）

实际上，上述纯驻波并不存在。 由于PCB传输线的损耗，驻波总是小于行波，即两者同时出现。 即使负载完全匹配，PCB 传输线的实际不对称性（几何尺寸）也会导致能量部分反射，从而产生驻波。 也就是说，实际上，驻波是叠加在行波上的非纯驻波。

纯驻波是指入射波A的振幅等于反射波B的振幅，即反射系数Г=1（注：Г复模），非纯驻波是指B<A，Г< 1。为了综合测量实际PCB传输线上存在的各种驻波状态，通常采用电压驻波系数-S参数来测量。

参数S表示PCB传输线驻波腹点电压Umax与节点电压Umin的比值，即S=Umax/Umin

可以证明Umax=A+B； Umin=A-B

则S=(1+Г)/（1-Г）

其中Г=A/B为反射系数模，则有Г=(S-1)/(S+1)，因为Г=0~1，所以S参数为等于或大于1的正数。

可见，当负载完全匹配时，Г= 0，S=1。

由上可见，驻波系数S可以充分表征高频信号（特别是微波信号）传输的工作状态。 在微波电路中，一般情况下S=1.05-3。

当表征某些具有集总参数特性的元件时，有时S参数也称为耗散或散射系数。 无论是耗散还是散射，直接因素都是驻波。 因此，用VSWR来表征元件的S参数是最合适的——因为VSWR可以帮助理解一些电路中的微观概念，并结合其进出PCB传输线来测量其特性。

综上所述，微波电路PCB设计原则如下：

• 驻波是实际电路不稳定或不符合设计要求的根本原因之一。 设计时应充分保证S参数尽可能接近1，即S参数越小越好（通常S=1.05-3）。

• 在实际应用中，测量驻波系数比测量反射系数简单得多。 因此，测量技术中一般只采用驻波系数。

• 较长的地线或架空线（包括PCB设计或加工造成的微小毛刺等各种形式）会形成较强的驻波，从而形成辐射干扰。

• 过多的反射波会干扰信号源（包括信号处理链路的相关“源”）。
  

• 驻波会干扰信号的正常传输，降低信噪比。
  

• S 参数的值取决于反射系数，即取决于PCB 和负载端的传输线特性。 因此，在PCB设计时，不仅要考虑走线特性，还要充分考虑各信号走线的传输端负载的匹配设计。 这是保证电路质量的基础。
  

• 不要孤立地研究元件的S 参数。 必须结合其输入输出信号传输接线进行综合测量，即结合具体元件组合的网络进行考察。 电路板组装、电路板设计、电路板加工厂家讲解微波电路PCB设计——驻波和驻波系数。