一、基本概念

在高頻/射頻領(lǐng)域內(nèi)，最重要的基本概念就是沿著傳輸線傳輸?shù)娜肷洳?、反射波以及傳輸波。其實理解這些概念，可以類比光的傳播（這些知識初中就學(xué)過），一束光在相同介質(zhì)是沿著直線傳播的，但光從空氣入射到水中（介質(zhì)發(fā)生改變），有一部分光發(fā)生反射、一部分發(fā)生折射；如果介質(zhì)是由損耗極大的材料組成，則入射光全部被反射（如鏡子）。

圖1

同樣，射頻信號就好比光（其實光也是一種波），傳輸線就好比介質(zhì)，它的特征阻抗表征了這種材料。當(dāng)傳輸線無限長時，射頻信號無反射，即入射信號=傳輸信號，但實際不存在無限長的傳輸線，傳輸線終端接的阻抗ZL就顯得十分重要了（通常傳輸線的特征阻抗Z0為正實數(shù)：50或者70歐）：

1、ZL = Z0時（相當(dāng)于兩者介質(zhì)相同），此時傳輸線可以看成無限長，無反射波，輸入信號=傳輸信號，此時又稱為傳輸線終端阻抗匹配。

2、ZL != Z0時（相當(dāng)于不同介質(zhì)，如空氣和水），此時在傳輸線終端會發(fā)生反射，傳輸信號=入射信號-反射信號，這又稱為阻抗失配。

二、在高頻/射頻下，為什么這些概念如此重要？

對比低頻和高頻信號：

1、低頻情況（波長遠(yuǎn)大于線長）：電流更容易沿著導(dǎo)線傳播從而獲得有效的功率傳輸，測量電壓和電流不依賴于線的位置，也就是說一根導(dǎo)線電流電壓處處相等（初中學(xué)的）；

2、高頻/射頻情況（信號波長遠(yuǎn)小于傳輸線長度，一般是小于等于10倍傳輸線長）：這需要傳輸線來傳輸信號，此時，為了減小反射信號獲得最大功率傳輸，匹配傳輸線特征阻抗顯得十分重要。傳輸線上測量的電壓取決于測量點沿線的位置（即傳輸線上電壓不是處處相等）。

之所以這些概念特別重要，是因為我們可以用特定的負(fù)載與傳輸線特征阻抗匹配來替代無限長傳輸線，是最大的功率傳輸?shù)截?fù)載，這是一件多么神奇的事情?。?！

三、傳輸線終端匹配的三種情況（假設(shè)其特征阻抗為正實數(shù)Z0=50歐，負(fù)載為ZL）：

1、ZL=Z0（匹配）：理想情況下，負(fù)載無反射信號，此時傳輸線相當(dāng)于無限長，如果我們沿著傳輸線觀察射頻信號包絡(luò)，它是常數(shù)（也就是沒有駐波），是因為入射信號能量只沿著一個方向傳播。

圖2

2、ZL=0（短路）或者ZL=無窮大（開路）：短路情況下，由于負(fù)載不消耗任何功率，能量在負(fù)載不知道往哪里傳輸，所以全部反射到源，用歐姆定律解釋，負(fù)載短路，負(fù)載兩端電壓為0，也就是說電壓完全被反射回源，且和入射信號幅值相等，相位相差180度；同理，對于開路情況，歐姆定律告訴我們，負(fù)載兩端電流為0，也就是說電流完全被反射到源，且反射電流信號大小相等、相位差180度。這樣，對于兩種情況，入射信號和反射信號大小相等、傳播方向相反，在傳輸線上的包絡(luò)將形成駐波，谷底為0，峰峰值是入射信號幅值的兩倍。為了滿足歐姆定律，峰和谷的位置都會沿傳輸線移動。

圖3

3、ZL=25歐（一般情況）：同理，根據(jù)歐姆定律，有1/3入射信號的信號被反射，相位差180度這點可能比較難理解，負(fù)載電壓為1/3Vs，為什么不是2/3的Vs被反射回來了？其實有多少信號被反射是看能量的，并不是只看負(fù)載電壓。我是這樣理解的，當(dāng)終端阻抗匹配時，負(fù)載電壓為1/2Vs，此時反射信號為0，而負(fù)載為25歐時，負(fù)載電壓為1/3Vs，相對于匹配情況，它吸收了2/3的入射信號，有1/3的入射信號被反射到源。（不知道各位還有什么更好地直觀理解，求告知~）。同樣，包絡(luò)也會形成駐波，且駐波沒有0點。沿著傳輸線上不同點測量的阻抗也會發(fā)生變化，比如離負(fù)載1/4波長的傳輸線，就好比有100歐姆的負(fù)載（解釋見書上，實現(xiàn)阻抗變換的方法之一）。

圖4

四、總結(jié)

傳輸線的作用和基本概念是基礎(chǔ)，實際上，在射頻領(lǐng)域有許多理論，這里盡可能減少數(shù)學(xué)推導(dǎo)來理解這些概念和應(yīng)用，如果想看推導(dǎo)，推薦波扎寫的《微波工程》這本書。最后，文中如理解有誤，還望指正~

傳輸線阻抗的計算

設(shè)計一個預(yù)定的特性阻抗，需要不斷調(diào)整線寬、介質(zhì)厚度和介電常數(shù)。如果知道傳輸線長度和材料的介電常數(shù)，就可以計算出特性阻抗以及其它參數(shù)

求解特性阻抗的途徑有三種：

1. 經(jīng)驗法則；

對于50ohm微帶線：w=2h,對于50Ohm帶狀線：b=2w

經(jīng)驗法則：FR4上50Ω微帶線的線寬w等于介質(zhì)厚度h的兩倍。50Ω帶狀線，兩平面間總介質(zhì)厚度b等于線寬w的兩倍

2. 解析近似；