微波电路PCB设计-驻波与驻波系数

（二）驻波与驻波系数——S 参数

1．驻波概念

当PCB传输线终端负载短路，ZL =0，使得入射波与反射波电压幅度相等而相位相反（相差 π），致使终端的电压波彼此全部抵消而为零。图 8 所示的为负载短路传输时，入射波和反射波分布图。

由图可见，随着时间延迟，入射波从左向右移动，

在终端移相后形成反射波又从右向左移动。沿 PCB 传输线二者相加而形成另一种波的分布形式，这就是驻波，如图 9 所示。

当PCB传输线上形成驻波时，能量不再沿线传输，好象“驻扎”在 PCB 传输线上一样（与行波状态向对应）。可推出余弦电压波的驻波表达式为：

u=Um(t) Sinβz 式中 Um(t)=2Um Sinωt

可见，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（电压或电流永远为零的点）和腹点（具有最大值的点），分布规律不随时间而变化，从而形成周期性脉动简谐波。

同样可知电流驻波具有相同的分布规律，只是节点（或腹点）错位 1/4 波长，两者距短路处距离均为 1/4 波长的整数倍。

2．驻波系数 S（也称电压驻波比）

实际中，上述纯驻波是不存在的。由于 PCB 传输线的损耗使得驻波永远小于行波，即两者同时发生。PCB 传输线的实际不匀称性（几何尺寸），也使得即使是完全的匹配负载情况下，也将引起能量的部分反射而产生驻波。即，实际中驻波是叠加在行波上的非纯驻波。

纯驻波表示入射波幅度 A 与反射波幅度 B相等，即反射系数 Г=1（注意这里为 Г 复数的模值），非纯驻波则表示 B<A，Г<1。为全面衡量实际 PCB 传输线上存在的各种驻波状态，通常用电压驻波系数棗 S 参数来衡量。

S 参数表示 PCB 传输线驻波的腹点电压 Umax与节点电压 Umin 之比，即S=Umax/Umin

图 10 表示任意情况下电压驻波幅度沿 PCB 传输线的分布图。

可以证明： Umax=A+B；Umin=A-B     

并可推出 S=（1+Г）/（1-Г）

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

可知，负载完全匹配时，Г=0，S=1。

由上述可见，驻波系数棗 S，完全可表征高频信号（尤其是微波信号）传输上的工作状态。在微波电路中，

通常 S=1.05—3。

表征某些具有集中参数特性的元器件时，有时又称 S参数为耗散或散射系数。无论耗散或散射，导致的直接因素都是驻波。 所以用电压驻波比来表征元器件 S 参数是最适当的——因为电压驻波比可以帮助理解一些电路中的微观概念并结合其出入端 PCB 传输线统一衡量其特性。

综上所述，得微波电路 PCB 设计原则如下：

● 驻波，是实际电路不稳定或与设计要求不符的根源之一。设计中应充分保证 S 参数尽可能接近 1，即：S参数越小越好（通常 S=1.05——3）。

●实际中，测量驻波系数比测量反射系数要简单得多。因此，测量技术中一般只用驻波系数。

● 过长的地线或悬空线（包括因 PCB 设计或加工所导致的微小毛刺等各类形式），可形成较强的驻扎波，从而形成辐射干扰。

● 过强的反射波将对信号源形成干扰（包括信号处理环节的相对“源” ）。

● 驻波干扰正常信号传输，使信噪比下降。

● S 参数值取决于反射系数，即：取决于 PCB 传输线特性与负载终端。故 PCB设计中，不仅要考虑走线特性构造，也应充分考虑每一信号走线之传输终端负载的匹配设计。这是保证电路品质的根本。

● 切勿孤立考察元器件 S 参数，必须结合其输入输出信号传输走线来全面衡量，即：应结合元器件具体组合的网路来考察。