实用EMI噪讯对策技术(6)- 反射

反射现象
所谓电流，是指电子的流动而言，直流时的电流好比是河流的水从上游朝下游流动，两者主要差异是电流必需通过传输线路才能流动。交流时的电气具备波的特性，而且是以波动方式传输，交流的流动好比是波在水面上传输，水的分子呈上下晃动并不会朝水平方向流动，不过波动却朝水平方向以一定速度流动传输(图1)。
　

图1 水浪波动特性

交流电流的电子只会在本身位置附近振动不会作直流性移动，不过电子的振动却会在传输路径中以波动方式传输(图2)。电子本身的移动方向与波的传输方向相同，若以波动观点而言在传输线路中的电气信号则与电磁波完全相同。
　

图2 交流的电子动态
　
在导体中移动的电子本身的速度并没有预期的快，不过波动的传输速度若与电子本身的速度比较却非常的快。在真空中传输的电磁波的速度，亦即所谓的光速大约是30万km/秒。在电线中传输的电气速度亦即信号速度比光速慢，随着周围绝缘体的材质不同，大约是真空中的50~80%，相当于20cm/ns(200m/μs)或是5ns(5μs/km)。如上所述在电线中传输的电气信号属于波动，它与池边的水波碰撞岸边引发反射一样会引发反射现象，由此可知反射主要是在传输路径的端源发生。

如图3(a)所示，通过A点的信号在传输线路B点反射，再度折返A点时必需经过一段时间，因此原信号与反射波偏离成为噪讯(图3(b))，如果信号无衰减，反射波会与原信号的强度相同，进而成为强烈的噪讯。
　

图3 反射现象
　
与上述反射现象有密切关连性，就是传输线路的特性阻抗(impedance)。如图4所示假设传输线路为无限长，此时若在输线路的一端施加交流电压使电流流动，由于传输线路无限长，阻抗等于是无限大，因此直流电流无法流动，主要原因是传输线路内还有电容(capacitance)、电感(inductance)等成份，并不是单纯阻抗就能构成传输线路，尤其对交流而言传输线路通常都具有阻抗成份。
　

图4 特性阻抗
　
若从传输线路的入口端观察，可以看见传输线路似乎具备一定的阻抗，该阻抗称为「传输线路特性阻抗」，该特性阻抗在各传输线路各自具有固有值。

特性阻抗内包含频率特性，传输线路的特性阻抗频率特性，高频时几乎变成一定值，如图5所示低频时随着频率的降低，特性阻抗值反而变高。一般捻合对线(twist pair cable)的阻抗大约是100Ω。
　

图5 捻合对线的特性阻抗

捻合对线经常应用在一般有线电话，所以又称为市内缆线。电话线的阻抗为600Ω，该阻抗就是一般所谓的「特性阻抗」。由图5可知在声音频率范围，电话的特性阻抗会随着缆线的直径与信号频率出现极大差异，基于使用方便性等考虑，缆线直径0.65mm，频率1kHz时，以阻抗600Ω表示电话线的声音频率范围(频宽)阻抗特性。

同轴缆线则是制作上刻意使缆线具备特定的特性阻抗，特性阻抗50Ω系列与75Ω系列两种同轴缆线，广泛应用在一般消费性电子机器。此处请读者注意印刷电路基板的图案(pattern)同样具有特性阻抗，不过一般图案的特性阻抗并非一定值，它会随着场地出现散乱分布。印刷电路基板的图案同样可以设计成拥有特定的特性阻抗，亦即「micro strip line」，由于micro strip line可以使印刷图案拥有特定的特性阻抗，虽然它能够取代同轴缆线，不过micro strip line并不具备与同轴缆线完全相同的特性。