信号传输理论的概念及噪声传导和反射(2)

多重反射导致的谐振

(1) 传输线路变成谐振器
如果像在数字信号中所描述那样，导线两端都发生反射，则会存在一个特定频率，使波形完全符合下一个周期的信号（如图16所示），同时反射波 在导线来回一圈。在此频率处，传输线路可能作为一种谐振器，并导致非常大的电压或电流。此时需要注意，因为它可能使数字信号遭受振铃或者在特定频率处导致 很强的噪声。

(2) 通过驻波观察谐振
图17采用了图14(b)中假定的20cm长信号线的情形，并叠加了以下几种情况下各频率处驻波的计算结果: (a)两端均终端匹配（无反射波），(b)只有终端发生反射，(c)两端均发生反射（多重反射）。在情形(a)下信号输出已经调整至1V(120dBµV)。
当没有发生任何反射时，所有频率范围内和所有位置上的电压都恒定（120dBµV）。信号在终端匹配的情况下正确进行传输。

(3) 只有一端发生反射时，会产生驻波
情形(b)将负载阻抗设定为1MΩ（几乎是开放和完全反射）。在这种情况下，可以观察到驻波，且电压随频率和位置而变化。这种状态可以认为是接近图11和图12中测量的状态。如果只有一端发生反射，无论反射有多强烈，最大值都不会超过原信号的两倍（增加6dB）

(4) 两端均发生反射时，谐振频率处出现大振荡
情形(c)在(b)中终端条件的基础上，使信号源的输出阻抗降低至10Ω，从而造成反射。在这种情况下，在某些频率处（大约为200MHz和650MHz）观察到了非常强烈的驻波。这些频率会造成多重反射，而且在某些情况下，电压或电流可能达到原信号的数倍，从而成为EMC措施方面的问题。

(5) 谐振传输线路也作为天线
当信号线如上所述作为谐振器时，需要特别注意，因为信号线本身可能成为一种微带天线并发射很强的噪声。谐振频率可能在使导线长度为二分之一波长的频率间隔处反复出现（在图17的示例中约为400MHz）。小心不要让数字信号的谐波接近这些频率。
为避免多重反射造成的谐振，需要在两端或一端进行阻抗匹配（如图17(a)或(b)所示），以吸收反射。如何终止数字信号线将在下一章节中讲述。
除了这样的信号电路之外，如果要处理噪声的传导路径（如电源线），通常也可以衰减信号。在这种情况下，除了终止之外，还可以通过加剧传输线的衰减来避免谐振。如果要加剧衰减，通常是增加一个电阻元件。

图16 多重反射导致的谐振

图17 谐振导致的驻波变化

[p] 数字信号的终止

(1) 较长导线也需要针对数字信号进行终端匹配
前已述及，当传输线路的特性阻抗等于负载阻抗时，所有能量将会传输到负载而不会发生反射。这种状况被称为“匹配”。例如，图11(a)和图12(a)在信号线的末端连接了一个50Ω的电阻器，以便能够与特性阻抗(50Ω)匹配。在这种情况下，电场（电压）和磁场（电流）是一致的，不会观察到任何驻波。

图18 阻抗匹配

如果是数字信号，当C-MOS IC相互连接时，信号线两端通常都会造成反射。但是，如果导线较短，谐振频率就会非常高，不会导致任何实质性的问题。如果导线变长，谐振频率会降低，变得 具有影响力，因而可能需要匹配。如图19所示，可在驱动器侧或接收器侧进行阻抗匹配。

(2) 驱动器侧终端匹配
在驱动器侧图19(a)进行匹配时，将一个电阻器或铁氧体磁珠串联连接到信号线。这类似于电路的阻尼电阻器。唯一的区别在于如何选择电阻 值。选择的电阻值要能补足驱动器侧输出电阻和特性阻抗之差。这时，接收器侧仍会造成反射，导致信号线上存在驻波，使导线中部的波形失真。因此，这适用于导 线中部未连接任何电路的一对一信号传输。

(3) 接收器侧终端匹配
在接收器侧图19(b)进行匹配时，如图所示将电阻值等于特性电阻的电阻器连接到地线或电源。在这种情况下，不会导致任何驻波，因此，即使 是从导线中部提取信号，也能获得规整的脉冲波形。但是，由于电流流入负载电阻器，这种匹配也存在一些劣势，如降低信号振幅，导致功率损耗。为了在静止的状 态下减少功率损耗，可以加入电容器与电阻器串联。

图19 数字电路的阻抗匹配

[p] 对EMC措施的影响

尽管就产生驻波和谐振对传输数字信号而言是不利的现象，但它们是研究噪声传导和制定应对措施时需要考虑的重要特性。当物体噪声频率升高时，需要基于噪声传导路径会像传输线一样（产生驻波）的假设采取相应措施和EMC措施。关于主要影响的示例将在下面讲述。

(1) 电压和电流随测量点变化
当针对EMC措施使用探针寻找噪声源时，即使在同一根导线上，但一个部分的噪声比较大，而其他部分的噪音比较小。此外，就电压和电流（磁场）而言，产生较大噪声的位置不相同。因此，如果噪声抑制前后的测量点不同，就无法正确评估产生的影响。
图20显示了频谱的变化，以此作为使用如图10所示测量系统移动测量点时导致变化的一个示例。当探针移动几厘米时，可以发现频谱的形状和电平出现变化。如果要找出噪声大的位置，就需要牢记这种变化，并在诸多点上进行测量，以确定噪声强度。

图20 各点频谱变化的示例

(2) 阻抗和EMC措施相关元件的作用随位置而变化
当产生驻波时，电压波腹（电流波节）处的阻抗高，而电压波节（电流波腹）处的阻抗低。阻抗的高低影响着该位置所连接EMC措施相关元件的效果。（但是，驻波的形状随频率而变化。因此，当连接一个EMC措施相关元件时，不能一概断定其对所有频率位置而言是有利或不利。）
例如，图21给出了图11中电流驻波随频率发生的变化。电流大的地方阻抗小（偏红），电流小的地方阻抗大（偏蓝）。可以发现这些位置根据频率发生变化。
一般而言，旁路电容器在阻抗降至最小值（电流波腹）的位置处具有较小的影响。图9用箭头了指出了这样的位置。如果在此位置处放置一个元件，其对频率的影响会减弱，因而需要另外使用铁氧体磁珠等。（可以移动此位置。但可能会在另一个频率处出现问题。）
相反，铁氧体磁珠在阻抗局部最高点可能影响更弱。
就降噪效果而言，结合了电容器和铁氧体磁珠的LC滤波器可能相对不那么容易受到阻抗波动的影响。

图21 不同频率处驻波变化的示例

[p] (3) 谐振频率随导线长度而变化
由于使传输线发生谐振的频率会产生很大的电压和电流，因此可能会导致很强的噪声发射。此频率随导线长度而变化。因此，如果像图中所示那样因重新布置IC而改变导线长度，则可能在意想不到的频率处使噪声增大。这类问题难以预测，因为电路图通常不会指明导线长度。
除了信号线之外，电源模式、电缆和屏蔽表面也可能形成传输线并导致谐振。这类谐振器就像完好的天线一样，会发射噪声。

图22 导线长度变化导致谐振改变

(4) 电缆或屏蔽板会产生驻波，成为状态完好的天线
就电缆连接至电子设备或者设备中使用金属板作为天线的机制而言，这样的导体可以被视为像传输线一样产生谐振。（但是，天线的特性阻抗一般不是恒定的。）
例如，如图21所示，当电子设备连接至有开放端的电缆时，电缆可以被视为有开口端的传输线路。在这种情况下，电缆产生的驻波在端部的电流为零（如 图所示）。因此，基部的阻抗降低，电流在端部不连接任何元件的情况下流动。在电缆长度等于四分之一波长奇数倍的频率处，会产生谐振，因而也可能发射噪声。
这时，基部的阻抗较小，因此，噪声可能会由增加阻抗的元件（如铁氧体磁心）所控制。

图23 带开放端的电缆上产生电流

如图22所示，如果一端有金属板连接到地线（当一端连接了屏蔽板时），会产生接地部件处电压为零的驻波。使金属板长度等于四分之一波长奇数 倍的频率会导致谐振，且很可能造成噪声发射和感应。如果两端都连接到地线，会产生在两端电压均为零的驻波，因此，使金属板长度等于二分之一波长整数倍的频 率会导致谐振。为消除这样的问题，连接到地线的各点之间的间隔应缩短到噪声波长的大约十分之一或以下。
如上所述，在（较高）频率范围内，其中电子设备所使用导体的大小超过四分之一波长（例如10cm时使用750MHz），导体可能作为天线。如果物体噪声的频率很高，则需要注意物体尺寸与波长之间的关系。

图24 金属板连接到地线，金属板端作为天线

[p] 如何防止噪声传导

(1) 阻抗失配可防止噪声传导
实现阻抗匹配并不总是能带来理想的结果。如果要防止噪声传导（而不是传输信号），就需要避免匹配阻抗。
如章节2-1所示，除了充分了解电子设备噪声发射机制以外，可以认为从噪声源到天线之间建立了噪声传输路径（如图25所示）。在这种情况下，如果阻抗已经完全匹配，噪声可能被传导至天线并造成很强的发射。

(2) 去耦电容器导致阻抗失配
为防止噪声传导，传输线两侧的反射都应当增强，使噪声无法传导。在此期间，使用去耦电容器或电感器等元件显著改变阻抗，从而增加反射。
也可以加剧传输路径的衰减。如果要增强衰减，就需要吸收能量。这就是需要使用EMC措施相关元件发挥噪声吸收作用的原因。可使用具有电阻阻抗的铁氧体磁珠。

尽管图25仅涉及了针对所有元件的噪声传输路径，但实际上它是很多传输路径的结合。例如，如果从接口电缆发射数字IC电源噪声，则可以认为具体情况会如图26所示（作为示例）。可以通过对传输路径按类型分解来应用图25所示的噪声反射和衰减。

图25 噪声反射和衰减

图26 已分解噪声传输路径的示例

[p] S参数

(1) EMC措施相关元件的性能可通过S参数来表示
尽管噪声传输路径中所使用EMC措施相关元件的效果一般可通过插损来表示，但还会使用S参数进行更准确的表示。S参数方法是表示使用上述电波反射概念的电路特征的方式。因为S参数能够表示元件在高频范围内的性能，所以常用于高频电路。

(2) 插损特性可被S参数取代
在通过S参数表示EMC措施相关元件时，表示降噪性能的插损可由S参数传输系数所取代。其前提是电路为线性运行，且要使用在50Ω系统上测得的S参数。

(3) 传输系数和反射系数
如图27所示从左侧和右侧输入电波可得到传输系数和反射系数，这两个系数可用来表示具有一个输入终端和一个输出端子（也称为“端口”）的元件的S参数。图25中所解释的元件内部衰减是传输部分和反射部分消减的输入能量值。

(4) 通过数据表来表示
由于S参数一般随着频率变化而改变，因此针对每个频率以表格的形式提供了相应的S参数值。图28作为关于S参数的一个例子，提供了针对三终端EMC措施相关元件NFE61PT102的S参数。这个EMC措施相关元件内部具有较大的衰减。
左图为S参数表。如表中所示，每个端口的反射系数和传输系数都通过大小和相位来表示。（在某些情况下，它们会通过实数和虚数来表示，或者大小可能以dB为单位。）

(5) 频率特征图
右图将传输系数S21和反射系数S11表示为频率特征。在低频范围内传输系数S21很大，在10MHz以上却非常小。这一特征表示从左侧进入和传输到右侧的噪声比，其值越小表明降噪能力越好。如要将其转换为插损，数值大小需要转换为以dB为单位（不带负号）。
在1MHz到1GHz频率范围内，反射系数S11约为0.2到0.6。此特征表示当噪声从左侧进入时回到噪声源的反射比。据此可以发现，此元件具有较小的反射，且不那么可能由于多重反射导致问题。

图27 S参数（针对两端口元件）

图28 S参数的示例（NFE61PT102）

(6) 用S参数表示特征的好处
在使用S参数表示EMC措施相关元件时，不仅可以表示出主要的降噪效果（传输系数），而且可以表示出反射到噪声源侧的效果，从而可以考察多重反射导致的次要影响。从这个角度来看，S参数比插损的表示更准确。
当测量系统的阻抗改变时，S参数也会随之变化。通常是在50Ω系统中测量的。为准确估计降噪效果，需要根据连接实际元件位置处的阻抗通过转换进行阐释。电路模拟装置通常都具备这样的功能。
除了图28(b)中的图之外，S参数也可如图4(c)所示在史密斯图上进行绘制。