微波电路PCB设计-传输线特性阻抗、匹配及反射

（一）PCB 传输线特性阻抗、匹配及反射

1．特性阻抗 Zc

Zc 为 PCB 传输线对入射波所呈现的阻抗，或在行波状态下线上电压与电流之比。对图 2 电路，有：

进一步推导可得

上式中D 和d 的定义与“二——（二）”中的 D、d 定义等同。

■可见，PCB 传输线特性阻抗 Zc仅与传输线参数（L1、C1、或 D、d等）有关，且呈现纯电阻特性，与实际激励电源无关。PCB 传输线的特性阻抗值一般在 250~700Ω 之间。

2．PCB传输线的匹配与反射系数

当PCB传输线长到与工作波长 λ 可比拟时，传输线上可同时传输两个波：由电源向负载的入射波及由负载向电源的反射波。每个电流波还伴随电压波（反之亦然），而 PCB 传输线任意点的电压和电流由特性阻抗 Zc 相联系。

为便于理解，设一个无限长传输线，沿线各处的特性阻抗为 Zc。在激励源作用下，电磁能不断地向终端传播。由于传输线为无限长且阻抗处处相同，电磁能不会被反射。此时，仅存在入射波，即传输线工作在行波状态。 

当传输线成为有限长并接负载，如图 7 所示。当使 ZL=Zc时，相当于负载代替了其右边的无限长传输线，对其左边电压或电流波传输将无影响。此时，能量将从电源向负载单向传输而无反射，保持行波状态，即能量全部为负载吸收。这种状态称为匹配，其负载为匹配负载。

实际中，电磁能在 PCB线路中传输（从一个环节传到另一个环节，或从 RF 源传到天线），通常难以做到完全匹配，于是，入射波与反射波同时存在的现象在所难免，但要求尽可能使反射波幅值小，以提高电路效率及传输功率。

通常用反射波复数幅度与入射波复数幅度的比值来衡量线路上波的反射情况。其比值称为反射系数，用Г表示。对电压波为Гv；对电流波为 Гi，并有

式中 A、B、β、z 的定义参见前述（二——（四） ） 。

可见，反射系数是复数量，且随位置 z 的变化而变化。入射波与反射波之间不仅有一定关系，相位间也有一定关系。

由于反射波是由入射波在负载处反射形成的，所以其幅度恒小于入射波幅度，即反射系数模值Г在 0——±1 之间变化。

在微波技术中， 常用电压反射系数  

表示反射系数。

可以推出，PCB 传输线终端负载处的反射系数 ГL 与特性阻抗 Zc 和负载 ZL有如下关系：

■     可见，负载的性质直接影响 PCB 传输线的工作状态，有下列三中可讨论情况：

A）ZL=Zc 时，此时负载处于匹配状态，能量全部被负载吸收。

B）ZL =0 时，

表明负载无能量吸收（负载电压为零）而全部反射。此状态下，负载处反射波电压与入射波电压振幅相等，相位相反。

C）ZL =∞时，

表明负载上仍然无能量吸收（负载电流为零）而全部反射。此状态下，负载处反射波电压与入射波电压振幅相等，相位相反。

进一步讨论 ZL>Zc 及 ZL<Zc，可得出介于上述三方面典型状态之间的中间状态，并具有实际指导意义（此处略）。

综上所述，高频电路PCB设计原则如下：

● PCB上某段传输线特性阻抗 Zc 应尽可能保持处处相等（即分布参数处处相等），线宽应保持一致。

● 每段PCB 传输线终端处信号处理网络的输入阻抗应尽可能与传输线特性阻抗相近（即 L、C 参数相近，通常为 250~700Ω）。

● PCB走线应尽可能短，即保证工作波长 λ 远远大于走线长度。

● 信号处理网路之接地板线应尽可能短，通常采用金属化孔形式与 RF 的接地板直接相通，否则便构成 PCB传输线终端短路形式而产生全反射。

● 杜绝出现任何形式的一端悬空之 PCB 走线（包括因 PCB 加工工艺而导致的走线边缘毛刺等形式），以避免 ZL =∞而导致的全反射现象。

● 对 RF 电路网络，反射现象只会干扰电路的正常处理功能或作用，并且总是影响其稳定性的根源之一。