【Maker電子學】淺談高頻系統的原理與設計—PART9：訊號反射

Posted By Liang Bird on 10 月 25, 2022 in Maker電子學, 教學文, 高頻系統 | 0 comments

上一回【Maker電子學】淺談高頻系統的原理與設計—PART8 我們用一個實際的例子，計算了線路上波長與頻率的關係。當頻率越來越高，線路上的波長就會越來越短，而當波長短到與線路的長度接近甚至更小時，電路上各點的訊號相位差異就會大到我們可以測量到，這時候我們就不能把這個線路當作單純的導體來看，而要用「傳輸線理論」來分析它。

再談傳輸線

我們聊過很多次「阻抗」的概念，雖然很抽象，但有一個很簡單的原則：因爲阻抗的單位是「歐姆」，根據歐姆定律 V = IR，R = V / I，阻抗就是電壓與電流的比例。

在傳輸線理論中，所謂的「特性阻抗」（characteristic impedance）指的是傳輸線在傳遞能量或訊號時，流過傳輸線中的電壓與電流的比例。不過請記得一件事：會用到傳輸線理論的一定是高頻訊號，高頻訊號一定是交流訊號，因此它的電壓會在正與負之間變動、電流的的方向也會不斷變換。

（圖片來源：Bird 提供）

如上圖所示，因爲波長短於線路的長度，電壓在線路上各點的值有可能會不一樣，所以線路上各點的電流方向也會不一樣，因此在交流電路中，我們常講的「方向」指的是能量流動的方向，而不是電流流動的方向。

你可以想像在直流電路中始終往一個方向勇往直前的電子，在交流電路中會隨著電壓變化來回變換方向；到了高頻電路時，因爲頻率高到波長短於線路長度，這些電子甚至連把整段線路從頭走到完的機會都沒有，就被困在線路上一小段地方來回移動，也因爲這樣的現象，我們才需要用傳輸線理論來看待這樣的線路。

那麼傳輸線的特性阻抗是怎麼決定的呢？這是個非常複雜的課題。傳輸線有很多種形式：有線電視用的同軸電纜（coaxial cable）是傳輸線，Ethernet 用的 Cat. 四五六七類對絞線（twisted pair cable）也是傳輸線，甚至我們每天在用的 USB cable 都是傳輸線。