本文要点

• 具有相位匹配的电磁波反射会导致传输线中的驻波模式。
• 对于天线来说，天线中的驻波模式是有益的，而对于传输线而言，驻波模式会形成不利的辐射源。
• 传输线和天线设计师需要谨慎使用阻抗匹配来控制驻波的形成。

电磁波的反射是物理系统中的一个基本现象，但在电子产品中最好不要出现。在导电元件（如 PCB 中的传输线）上形成的驻波模式会发出强烈的辐射，这并不是理想状态。对于天线来说，驻波是一种稀松平常的现象，会在特定的频率上产生强烈的辐射，而在传输线上，驻波却会带来麻烦。

要控制驻波模式，需要利用阻抗控制和阻抗匹配在互连和天线中设计反射。根据阻抗失配的程度，可以了解在用谐波信号驱动时，互连上会出现哪种驻波模式。对于像数字脉冲这样的宽带信号，结果更为复杂，但可以通过正确的 PCB 设计和分析工具来如法炮制。

驻波模式可以在天线元件上形成，以实现高增益和高指向性。

什么是驻波模式？

驻波模式是在传输线上的特定位置出现的一系列波峰和波谷。当入射波到达传输线的末端时，会被反射回来。这导致反射波与入射波相互干扰。在特定的频率下，两种波的干扰会呈现为一个具有一系列波节和波腹的“驻立不动”的波。

波节是驻波上幅度为0的位置，而波腹是指波上摆幅最大的位置。驻波上的波腹数量取决于传输线的长度。当传输线的长度正好是行波波长的一半时，就会出现带有一个波腹的第一个谐波驻波。

驻波模式对传输线和天线的影响

驻波可以在许多物理系统中形成，在某些情况下，驻波与系统本征模式的谐振频率相对应。在电子学中，在互连上传播的电磁波在阻抗失配的界面上反射时，就会形成驻波。

当反射波和入射波完全同相时，就会形成驻波，看起来就像是沿着互连的一个静止的正弦波。

如果沿着包含驻波的互连观察电场，电场看起来像一个静止的波。驻波可以在一定的频率范围内形成。这意味着，如果在传输线的一端有一些反射，一个单谐波交流源可以激发出强烈的驻波。

驻波模式示例。（图片来源：Wikimedia Commons）

我们需要两个参数来计算驻波激励频率，并描述波在传输线上的反射和叠加。

• 反射系数：接口处的反射系数用于描述波从界面处反射时的强度和相移。
• 互连或天线的长度：一旦发生反射，波就会沿着结构的长度方向返回。驻波模式只会在具有电长度的结构上形成，而长度将决定允许的驻波频率/波长。
• 波的传播速度：波的传播速度（即互连上的光速）将决定驻波的波长，从而决定能激发驻波的特定频率。

在阻抗失配处发生的反射可以发生在传输线上、传输线和天线之间的接口处，或在天线内。我们来分别看看每种情况，以便更好地了解这些驻波模式是如何形成的。

传输线

对于传输线，我们需要用到反射系数，反射系数是用反射结构中的源和负载侧阻抗计算出来的。

下图显示了当谐波交流波从两个一般阻抗上反射时可能形成的驻波模式，这两个阻抗分别位于互连的两端。这是传输线中的一个常见例子：负载具有一些特定的阻抗值，并可能在输出端端接。当传输线足够长时，反射系数在接口处以传输线的特性阻抗和负载阻抗来定义。

传输线中的反射系数和信号流。（图片来源：Wikimedia Commons）

在特定的频率下，传输线将支持上面所示的那种驻波模式。在传输线外部，一些功率被传输到负载，同时在传输线外可能出现损失。该负载可能是一些简单的组件：一个天线，或一个复杂的电路。一般来说，我们不希望出现这些驻波模式，因为线路上有较大的振荡，会产生辐射。由于线路和天线之间的失配，此类振荡也可能发生在天线馈线上。然而，在天线内部，情况有所不同。

天线驻波

由于天线开放端的阻抗失配，在天线上确实会形成驻波。相对于天线边界以外的空气来说，存在阻抗失配。在特定的频率下，可以激发驻波模式，与天线结构的特定本征模式相对应，类似于在谐振腔或波导中出现的情况。定制模态频率是天线设计中的一项重要任务，并且至今仍是一个持续进行的研究课题。

尽管天线有驻波，但我们不希望驻波发生在馈线中。馈线中的驻波会对 PCB 的其他部分产生干扰，因此需要消除天线输入端的反射。这就是我们使用阻抗匹配网络来设置天线输入阻抗等于馈线特性阻抗的原因之一。

提取宽带信号的阻抗和 S 参数

对于宽带信号，我们需要知道系统的 S 参数，因为这是消除反射最好的方法。除非一个特定的频率在信号的功率谱上占主导地位，否则不一定会形成上述相干驻波模式。要了解宽带信号与谐振结构的相互作用，最好是使用 S 参数。优秀的设计软件可以直接从 layout 中确定阻抗和网络参数，从而在 layout 中找到强反射和潜在的驻波。

要预测驻波模式，就需要借助高质量的 PCB 设计和分析软件来评估 PCB layout。inspectAR 软件利用增强现实技术（AR）以交互性的方式评估并改进 PCB 设计过程，轻松准确地实现 PCB 检查、调试、返工和组装。

上图显示了在 inspectAR  软件中对 PCB layout 的直接探测。利用AR技术，工程师或制造技术人员可以在制造过程中的任何时候将单个器件、走线、子电路或整个电路板与设计规格进行比较，并随时查看技术手册、添加留言、注释。

（文章来源公众号： AR辅助PCB调试与纠错）

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