PCBニュース - 回路基板定在波と定在波成分

マイクロ波回路基板設計-定在波と定在波係数

定在波の概念

PCB伝送線路の終端負荷が短絡するとZL＝0となり、入射波と反射波の電圧は振幅は等しくなるが位相は逆（差π）となり、終端電圧波は完全に打ち消し合ってゼロとなる。図に負荷短絡時の入射波と反射波の分布を示す。

図からわかるように、入射波は時間の遅れとともに左から右へ移動する。端子の位相がシフトした後、反射波が形成され、右から左に移動する。この2つがPCB伝送線路に沿って加算され、図9に示すような定在波という別の波形分布が形成される。

PCB伝送線路上に定在波が形成されると、PCB伝送線路上に 「静止 」した状態（進行波の状態に相当）として、エネルギーが伝送線路に沿って伝達されなくなります。余弦電圧波の定在波の式は次のように導かれる：

u=Um(t) Sinβz ここで Um(t)=2Um Sinωt

電圧は単純高調波の法則に従ってPCB伝送線路に沿って分布し、その振幅Um(t)は時間とともに変化しますが、ノード（電圧または電流が常にゼロである点）と反ノード（最大値を持つ点）では、分布法則が時間変化に従わないため、周期的な脈動単純高調波が形成されることがわかります。

また、電流定在波は、ノード（または反ノード）が1/4波長ずれており、短絡回路からの両ノード間の距離が1/4波長の整数倍であることを除けば、同じ分布則を持つことがわかる。

定在波係数S（電圧定在波比ともいう）

実際には、上記のような純粋な定在波は存在しません。PCB伝送線路の損失により、定在波は進行波よりも常に小さく、つまり両方が同時に発生します。また、PCB伝送線路の実際の凹凸（幾何学的な大きさ）により、負荷が完全に整合されている場合でも、エネルギーの部分反射が起こり、定在波が発生します。つまり、実際の定在波は進行波に不純な定在波が重なったものである。

純粋な定在波とは、入射波の振幅Aと反射波の振幅Bが等しいこと、つまり反射係数Г＝1（ここでいうГは複素数の係数であることに注意）を意味し、不純な定在波とは、入射波の振幅Aと反射波の振幅Bが等しいこと、つまり反射係数Г＝1（ここでいうГは複素数の係数であることに注意）を意味する。

S パラメータは、PCB 伝送路の定在波の反ノード電圧 Umax とノード電圧 Umin の比、すなわち S=Umax/Umin を表します。

これは、どのような場合でもPCB伝送線路に沿った電圧定在波振幅の分布を示します。

これは証明できる： Umax=A+B; Umin=A-B

そして、S=(1+Г)/(1-Г)を導くことができる。

式中、Г=A/Bは反射係数のモジュラスであり、Г=(S-1)/(S+1)となる。Г=0~1なので、Sパラメータは1以上の正数である。

負荷が完全に一致するときは、Г=0、S=1であることがわかる。

以上のことから、定在波係数Sは、高周波信号（特にマイクロ波信号）伝送の動作状態を完全に特徴付けることができることがわかる。マイクロ波回路では

通常S=1.05-3です。

ある部品を集中定数特性で評価する場合、Sパラメータは散逸係数または散乱係数と呼ばれることがあります。散逸や散乱にかかわらず、直接の原因は定在波である。なぜなら、電圧定在波比は、いくつかの回路の微小概念を理解し、入力端と出力端のPCB伝送線路と組み合わせてその特性を測定するのに役立つからです。

まとめると、マイクロ波回路のPCB設計の原則は以下の通りである：

.定在波は、実際の回路が不安定になったり、設計要件と矛盾したりする根本原因の一つである。設計では、Sパラメータができるだけ1に近くなるように、つまりSパラメータは小さいほど良い（通常S=1.05-3）ことを十分に確認する必要があります。

実際には、定在波係数の測定は反射係数の測定よりもはるかに簡単である。そのため、測定技術では一般的に定在波係数のみが使用される。

.過度に長いアース線や浮遊線（プリント基板の設計や加工による微小なバリなど、さまざまな形状を含む）は、強い定在波を形成し、放射干渉を引き起こす可能性があります。

.過度の反射波は、信号源（信号処理リンクの相対的な「源」を含む）に干渉を引き起こす。

.定在波は正常な信号伝送を妨害し、S/N比を低下させる。

.Sパラメータの値は反射係数に依存し、つまりPCB伝送線路と負荷端子の特性に依存します。したがって、PCB設計においては、トレース特性の構造だけでなく、各信号トレースの伝送端子負荷のマッチング設計も十分に考慮する必要がある。これが回路の品質を保証する基本である。

.部品のSパラメータを単独で調べてはならない。入出力信号の伝送トレースと連動して総合的に測定すること、つまり特定の部品の組み合わせのネットワークと連動して検討することが必要である。

上記は、マイクロ波回路基板設計-定在波と定在波係数の紹介です。Ipcbは、PCBメーカーとPCB製造技術にも提供されています。