实用EMI噪讯对策讲座(6)——反射

中心议题：
    *  反射现象
    *  特性阻抗
    *  反射的种类

本系列讲座共12篇，剩下5篇在文章最后：
实用EMI噪讯对策讲座(1)——基础物理篇
http://www.52solution.com/article/articleinfo/id/80010427
实用EMI噪讯对策讲座(2)——信号模式
http://www.52solution.com/article/articleinfo/id/80010428
实用EMI噪讯对策讲座(3)——噪讯与电洞
http://www.52solution.com/article/articleinfo/id/80010429
实用EMI噪讯对策讲座(4)——平衡
http://www.52solution.com/article/articleinfo/id/80010430
实用EMI噪讯对策讲座(5)——天线与噪讯放射
http://www.52solution.com/article/articleinfo/id/80010431
实用EMI噪讯对策讲座(6)——反射
http://www.52solution.com/article/articleinfo/id/80010432
实用EMI噪讯对策讲座(7)——失真
http://www.52solution.com/article/articleinfo/id/80010433

反射现象

所谓电流，是指电子的流动而言，直流时的电流好比是河流的水从上游朝下游流动，两者主要差异是电流必需通过传输线路才能流动。交流时的电气具备波的特性，而且是以波动方式传输，交流的流动好比是波在水面上传输，水的分子呈上下晃动并不会朝水平方向流动，不过波动却朝水平方向以一定速度流动传输(图1)。
　
图1 水浪波动特性

交流电流的电子只会在本身位置附近振动不会作直流性移动，不过电子的振动却会在传输路径中以波动方式传输(图2)。电子本身的移动方向与波的传输方向相同，若以波动观点而言在传输线路中的电气信号则与电磁波完全相同。
　
图2 交流的电子动态

在导体中移动的电子本身的速度并没有预期的快，不过波动的传输速度若与电子本身的速度比较却非常的快。在真空中传输的电磁波的速度，亦即所谓的光速大约是30万km/秒。在电线中传输的电气速度亦即信号速度比光速慢，随着周围绝缘体的材质不同，大约是真空中的50~80%，相当于20cm/ns(200m/μs)或是5ns(5μs/km)。如上所述在电线中传输的电气信号属于波动，它与池边的水波碰撞岸边引发反射一样会引发反射现象，由此可知反射主要是在传输路径的端源发生。

如图3(a)所示，通过A点的信号在传输线路B点反射，再度折返A点时必需经过一段时间，因此原信号与反射波偏离成为噪讯(图3(b))，如果信号无衰减，反射波会与原信号的强度相同，进而成为强烈的噪讯。
　
图3 反射现象
 

　
与上述反射现象有密切关连性，就是传输线路的特性阻抗(impedance)。如图4所示假设传输线路为无限长，此时若在输线路的一端施加交流电压使电流流动，由于传输线路无限长，阻抗等于是无限大，因此直流电流无法流动，主要原因是传输线路内还有电容(capacitance)、电感(inductance)等成份，并不是单纯阻抗就能构成传输线路，尤其对交流而言传输线路通常都具有阻抗成份。
　
图4 特性阻抗

若从传输线路的入口端观察，可以看见传输线路似乎具备一定的阻抗，该阻抗称为「传输线路特性阻抗」，该特性阻抗在各传输线路各自具有固有值。

特性阻抗内包含频率特性，传输线路的特性阻抗频率特性，高频时几乎变成一定值，如图5所示低频时随着频率的降低，特性阻抗值反而变高。一般捻合对线(twist pair cable)的阻抗大约是100Ω。
　
图5 捻合对线的特性阻抗

捻合对线经常应用在一般有线电话，所以又称为市内缆线。电话线的阻抗为600Ω，该阻抗就是一般所谓的「特性阻抗」。由图5可知在声音频率范围，电话的特性阻抗会随着缆线的直径与信号频率出现极大差异，基于使用方便性等考虑，缆线直径0.65mm，频率1kHz时，以阻抗600Ω表示电话线的声音频率范围(频宽)阻抗特性。

同轴缆线则是制作上刻意使缆线具备特定的特性阻抗，特性阻抗50Ω系列与75Ω系列两种同轴缆线，广泛应用在一般消费性电子机器。此处请读者注意印刷电路基板的图案(pattern)同样具有特性阻抗，不过一般图案的特性阻抗并非一定值，它会随着场地出现散乱分布。印刷电路基板的图案同样可以设计成拥有特定的特性阻抗，亦即「micro strip line」，由于micro strip line可以使印刷图案拥有特定的特性阻抗，虽然它能够取代同轴缆线，不过micro strip line并不具备与同轴缆线完全相同的特性。

反射的种类

虽然缆线可以连接使用，不过此时连接部位可能会产生反射，如图6所示种类相异的缆线连接时，只要特性阻抗相同就不会产生反射，特性阻抗相异时在连接点部分信号穿透其余信号则反射。
　 
图6 相异特性阻抗缆线的连接
 

　
假设上游特性阻抗为Z1，上游特性阻抗为Z2，m为:
 
如此一来电压反射系数与电压穿透系数可用下式表示:
 
由式(1)可知特性阻抗的差越大反射也随着变大，此处假设将传输线路的端缘(传输线路的出口端)开放，接着在它的前端连接特性阻抗无限大的传输线路，由于Z2=∞，因此m=1，其结果如图7所示传输线路完全反射。

图8是透过电路仿真分析获得的结果，上述图7则是对照模拟分析实际传输波形，图中的V(IN)与V(OUT)分别是传输线路的入口与出口(OPEN)，入口的最初脉冲就是信号的输入，之后的脉冲就是在出口反射折返的波形。

实际传输线路有信号衰减现象，不过图8纯粹只是模拟分析，所以可以作成0衰减，由于中途无衰减现象，因此三个信号的值完全相同，它与图7的波形主要差异有二个，分别是元信号脉冲宽度与信号衰减。元信号脉冲宽度在仿真分析，脉冲宽度比信号在传输线路往返时间更狭窄，在入口V(IN)的反射波变成其它脉冲，相较之下实际的波形，在入口端的脉冲会持续中途反射波折返。

至于信号衰减在实际波形则有信号衰减问题，出口V(OUT)端的电压是入端口V(IN)的二倍，造成该现象主要原因是输入(INPUT)传送过来的信号，与反射产生的信号重迭累计所致。
 　
图7 端缘开放时                   图8 端缘短路时

在模拟分析中单纯将反射理想化，现实的波形则参杂反射以外各种因素，其结果与模拟分析的波形截然不同。此处为正确进行模拟分析，因此刻意将各种要因加入仿真分析的模式内。反过来说模拟分析却能够获得实际实验无法取得纯理论现象，例如信号延迟为15μs，传输线路长度为3km时，由于传输线路相当长因此信号会衰减，然而在模拟分析上却可以获得0信号衰减时的现象。

如果使出口端V(OUT)短路，出口端的电压当然是0，此时在出口端会发生大小相同极性相反的反射现象，它会与输入相加其结果造成电压变成0。假设式(1)的Z2
如上所述阻抗相异的境界会发生反射部份折射穿透前进(图9)，这种现象并非局限在光线，信号信号也有相同现象，两者唯一差异是光线的场合不是阻抗，而是「折射率」。此外，在反射光有所谓的「偏光现象」，一般光线会在任何方向振动，只在特定方向振动的光线称为「偏光」，如图10所示偏光方向成90°相异的两片偏光板会遮蔽光线。如图10所示偏斜反射同样会发生偏光，因此可以利用属于偏光的反射光，消除有害的反射光。
　
图9 反射的发生机图
 

　
图10 偏光与反射光的比较
　
图11利用偏光消除无益的反射光

本系列讲座共12篇，剩下7篇在文章头部：
实用EMI噪讯对策讲座(8)——遮蔽Shield
http://www.52solution.com/article/articleinfo/id/80010434
实用EMI噪讯对策讲座(9)——Ground与电源
http://www.52solution.com/article/articleinfo/id/80010436
实用EMI噪讯对策讲座(10)——电源的噪讯
http://www.52solution.com/article/articleinfo/id/80010437
实用EMI噪讯对策讲座(11)——DC电源与Ground
http://www.52solution.com/article/articleinfo/id/80010438
实用EMI噪讯对策讲座(12)——筐体与筐体内的导线
http://www.52solution.com/article/articleinfo/id/80010439