理解射频电路设计中的反射和驻波

我们知道，根据在其他科学领域的研究经验，波与某些特定的行为相关联。光波在从一种介质（如空气）进入另一种介质（如玻璃）时会发生折射。水波在遇到船只或大型岩石时会发生衍射。声波会相互干扰，导致音量周期性变化。

同样，电波也表现出我们通常不会与电信号联系在一起的行为特性。不过，我们对电的波动性质普遍缺乏了解也不奇怪，因为在许多电路中，这些效应都是可以忽略不计或根本不存在的。对于数字工程师或低频模拟工程师来说，他们可能工作多年并设计出许多成功的系统，却从未深入理解高频电路中突出的波动效应。

正如大学问——传输线所讨论的，受特殊高频信号行为影响的互连被称为传输线。只有当互连的长度至少为信号波长的四分之一时，传输线效应才显著；因此，除非我们处理高频信号或非常长的互连，否则我们不必担心波的属性。

反射

反射、折射、衍射和干涉——所有这些经典的波动行为都适用于电磁辐射。但在此阶段，我们仍然处理的是电信号，即尚未通过天线转换为电磁辐射的信号，因此我们只需要关注其中的两种：反射和干涉。

我们通常认为电信号是一种单向现象，它从一个组件的输出端传输到另一个组件的输入端，换句话说，就是从源到负载。然而，在射频设计中，我们必须始终意识到信号可以双向传播：当然是从源到负载，但也可能会因为反射而从负载传回到源。

当波沿弦传播并遇到物理障碍物时，它会发生反射。

水波类比

当波遇到不连续处时，会发生反射。想象一下，一场风暴导致大波浪在一个通常平静的港口中传播。这些波浪最终会撞上一个坚固的岩石墙。我们凭直觉知道，这些波浪会从岩石墙上反射回来，并再次传播回港口。然而，我们也凭直觉知道，海浪冲上海滩时，很少会将大量能量反射回大海。为什么会有这样的差异？

波传递能量。当水波在开阔水域中传播时，这种能量只是在移动。然而，当波遇到不连续处时，能量的平滑移动就会中断；在海滩或岩石墙的情况下，波的传播变得不可能。但是，波所传递的能量会发生什么呢？它不能消失；它必须被吸收或反射。岩石墙不会吸收波浪的能量，因此会发生反射——能量继续以波的形式传播，但方向相反。然而，海滩允许波浪能量以更渐进和自然的方式消散。海滩吸收了波浪的能量，因此几乎不会发生反射。

从水到电子

电子电路也存在影响波传播的不连续性；在这个背景下，关键参数是阻抗。想象一个电信号波沿着传输线传播；这相当于海洋中部的水波。波及其携带的能量从源到负载平稳地传播。然而，最终，电信号波会到达其目的地：天线、放大器等。

根据之前的内容，我们知道当负载阻抗的幅度等于源阻抗的幅度时，会发生最大功率传输。（在此上下文中，“源阻抗”也可以指传输线的特性阻抗。）在阻抗匹配的情况下，实际上不存在不连续性，因为负载可以吸收波的所有能量。但如果阻抗不匹配，则只有部分能量被吸收，剩余的能量会以相反方向传播的电信号波的形式反射回来。

反射能量的多少受到源阻抗和负载阻抗之间不匹配程度的影响。最糟糕的两种情况是开路和短路，分别对应无穷大的负载阻抗和零负载阻抗。这两种情况代表了完全的不连续性；没有能量可以被吸收，因此所有能量都被反射。

匹配的重要性

如果你曾参与过射频设计或测试，你就会知道阻抗匹配是一个经常讨论的话题。现在我们明白了阻抗必须匹配以防止反射，但为什么对反射如此关注呢？

首先，反射会影响效率。如果我们有一个功率放大器连接到天线，我们不希望一半的输出功率反射回放大器。我们的目标是产生可以转换为电磁辐射的电功率。通常，我们想要将功率从源传输到负载，这意味着必须尽量减少反射。

第二个问题则更为微妙。通过传输线传输到不匹配负载阻抗的连续信号会导致连续的反射信号。这些入射波和反射波以相反的方向相互通过。它们之间的干涉会导致驻波，即入射波和反射波之和的静止波模式。这种驻波确实会在电缆的物理长度上产生峰值幅度的变化；某些位置的峰值幅度较高，而其他位置的峰值幅度较低。

驻波会导致电压高于传输信号的原始电压，在某些情况下，这种影响严重到足以对电缆或组件造成物理损坏。

总结

电信号波会受到反射和干涉的影响。

水波在遇到物理障碍物（如石墙）时会发生反射。类似地，当交流信号遇到阻抗不连续时，也会发生电反射。

我们可以通过将负载阻抗与传输线的特性阻抗匹配来防止反射。这样，负载就可以吸收波的能量。

反射是一个问题，因为它们减少了可以从源传输到负载的功率量。

反射还会导致驻波；驻波的高振幅部分可能会损坏组件或电缆。