1、精選優質文檔-傾情為你奉上精選優質文檔-傾情為你奉上專心-專注-專業專心-專注-專業精選優質文檔-傾情為你奉上專心-專注-專業時域反射理論介紹衡量任何電磁系統時域響應最普遍的方法是在時域中解決麥克斯韋方程組。這個過程中會考慮系統所有的幾何和電氣特性包括傳輸線效應的影響。然而，這將涉及了不僅僅是一個簡單的連接器，而是更復雜的結構如一個多層高速背板。因為這個原因，各種測試和測量方法已被用來協助電氣工程師分析信號的完整性。評估傳輸線和它的負載最常見的方法是傳統的在系統中給一個正弦波，在傳輸線的阻抗不連續點測量波形。在這些測量中在駐波比（）被計算出來并用來作為傳輸系統的有價值圖表。當系統中不止一個阻抗

2、不連續點駐波比（SWR）的測量將會因為無法隔離它們而失敗。此外，當寬帶傳輸系統的質量還沒被確定,必須在很多頻率的情況下進行駐波比的測量。這種方法就會變得耗時和讓人厭煩。另一個通用的分析傳輸線的儀器是網絡分析儀。在這種情況下，信號發生器產生一個掃頻的正弦波來激勵測試中的設備。網絡分析儀測量來自待測儀器的反射信號和傳輸信號。反射的波形可以以各種各樣的格式顯示,包括駐波比SWR和反射系數。等效TDR格式只有在網絡分析儀配備以適當的軟件執行一個快速傅里葉逆變換(IFFT)才可以顯示。如果用戶喜歡在頻域中使用s參數，那么該方法效果很好。然而如果使用者不熟悉這些微波導向的工具，學習起來還是相當困難。此外，

3、大多數數字設計師喜歡通過邏輯分析儀和高速示波器工作在時間域。相比其他的測量技術，時域反射技術提供了一個更為直觀可見的待測設備特性。用階躍信號發生器和示波器，快速的邊緣跳變發射進入待測傳輸線，入射電壓和反射電壓波形可以通過示波器在傳輸線特定的點上監控到。這種反射技術（見圖1）揭示傳輸線的特性阻抗，它同時顯示了沿線各個阻抗不連續點的位置和性質（電阻，電感或電容）。時域反射技術還表明了傳輸系統的損失是串聯損失還是并聯的損失。所有這些信息可以立即通過示波器顯示得到。時域反射系統也比其它任何測量技術提供了更多有關傳輸系統的寬帶響應的有價值信息。由于時域反射技術的基本原理很容易掌握，即使是那些在高頻率測量

4、方面經驗有限的人也可以很快掌握這種技術。此應用說明文檔的目的是簡要介紹時域反射技術的基本原理，以及這些基本原理和可以在實際測試中被測量的參數之間的聯系，在深入討論這些原則之前，我們將簡要回顧傳輸線理論。傳輸線上的傳播經典的傳輸線路被假定為由R L C組成的連續結構，如圖2所示。通過研究這等效電路，傳輸線的幾個特點可以被決定。如果該線是無限長的，而且R，L，G和C的被定義為單位長度上的參數，然后有：Z0是傳輸線的特性阻抗。信號源產生的電壓將需要有限的時間傳輸至x點。電壓沿線傳輸的電壓的相位將會每單位長度落后于信號源產生的電壓的相位。而且電壓幅度將會因為線路的串聯阻抗和并聯電導每單位長度衰減，相移

5、和衰減被傳播常數所定義：式中：=衰減量（以nepers為單位）每單位長度=相移量（以弧度為單位）每單位長度電壓在線路中的傳輸速度可以依據定義為：單位長度每秒在以空氣為介質的傳輸線中，信號傳輸速度接近光速Vc，在一般情況下如果為介電常數，則有：傳輸常數和無限長線路中在x處的電壓和電流的關系為：因為電壓和電流與線路中任何一點的特性阻抗有著聯系：式中：Ein為入射電壓；Iin為入射電流；當傳輸線長度是有限的，終端帶有一負載，負載阻抗和傳輸線的特性阻抗相匹配，則電壓和電流關系滿足前面所述的等式。如果負載阻抗和Zo不同，那么等式就不再成立，除非認為第二個波是是從負載端發出回傳到線路中至信號源。反射波就是

6、沒有傳輸進負載的能量。因此傳輸系統的品質可以通過反射波和信號源產生的發射波的比值來表示，這個比值叫做電壓反射系數，和傳輸線阻抗有著如下公式所示的關系：如果傳輸線上帶有阻抗非Zo的負載，則傳輸線上的穩定的正弦波電壓幅值與距離成周期性的函數關系，在最大值和最小值之間變化。這種改變叫做駐波由入射波和反射波之間的相位關系引起。電壓的最大和最小幅值之比就稱為電壓駐波比，它與反射系數呈如下等式關系：如前所述，上面的系數都可以被測量用當前可用的測量儀器，但是駐波比的值得測量會有局限。同樣，如果一個系統中含有一個連接器，一條短的傳輸線和一個負載，測得駐波比只表示了系統的整體性能。它不會顯示是否是一個器件產生的

7、反射相位恰好抵消了另一個器件的反射相位。工程師必須做更詳細的基于更多頻率的測量，才會知道做哪些可以提高系統的寬帶傳輸性能。TDR階躍反射測試圖三顯示了時域反射計裝置：階躍信號發生器產生了一個上升沿的入射波作用于待測傳輸系統，階躍信號以在線路中傳輸的速度在傳輸線中沿線傳遞，如果負載阻抗和傳輸線的特性阻抗相同，就沒有波會被反射，所有在示波器上看到的只有通過傳輸線監測點的入射波階躍電壓。如圖4所示：如果終端負載不匹配，部分入射波將會被反射，在示波器上會出現反射電壓波和入射電壓波代數上的疊加。參考圖5：定位不匹配位置反射波很容易被識別，因為它和入射波在時間上是分離的。時間差對決定傳輸系統監測點和不匹配

8、點之間的距離很有價值，用D來表示這個距離：式中：為傳輸速度。T為從監測點到不匹配點傳輸的往返時間，從示波器上測量。傳輸速度可以通過對已知長度的同種電纜的試驗確定，如果長為120cm型號為RG9A/U的電纜終端開路，入射波傳輸至終端反射波從終端傳回的時間為11.4ns，說明=2.1108/s，已知了，時間T可以從示波器上讀取，D就可以確定，于是不匹配點可以在線路中確定。大多數時域反射計都可以為用戶自動計算長度。反射分析反射波形的形狀對揭示不匹配點的性質和規模也很有價值，圖6顯示了4個典型的示波器顯示波形和各自的負載阻抗。圖7a和圖7b顯示了從86100A上獲取的真實圖像，這些顯示結果很容易通過回

9、憶之前的內容來理解。 通過示波器測量出Ei和Er的值，依據Zo可以決定ZL的值，反之亦然。例如在圖6中我們可以驗證反射實際上是來自指定的終端。假設Zo是純電阻（對高質量的商業電纜幾乎為純電阻），可以得到阻抗不匹配會產生一個和驅動電壓形狀一樣的反射電壓。Er的大小和極性由Zo和RL的值來決定。對于復雜的負載阻抗產生的反射也會有興趣。4個反射的基本例子如圖8所示。這些波形可以被驗證通過寫出關于的表達式根據每個例子特定的ZL：階躍函數Ei的拉普拉斯變換乘以，然后將結果再變換回時域，得到的表達式。這個過程很有用，但是進行一般簡單的分析不用必須依賴拉普拉斯變換。更直接的分析是需要評估t=0和t為無窮時的

10、反射電壓，而且要假設兩個值之間的變化過程呈指數關系。（為了簡單起見，把反射波到達監測點的時間點設為0）在R和L串聯組合時，比如在t=0時刻反射電壓是+Ei。這是因為電感上的電流不會突變。它起初看起來阻抗無窮大，t=0時=+1。然后L上的電流以指數形式建立起來，它的阻抗降低至0。當t為無窮大時僅取決于R的值。呈指數變化的時常數取決于電感看過去的有效阻抗。因為傳輸線的輸出阻抗為Zo，從電感端看過去Zo與R串聯，而且對并聯的R-C終端也可以做相似的分析，在零時刻因為電容上的電壓不會突變，負載可以看做短路，因此反射系數=-1在t=0時。一定時間后，然而電壓在電容C上建立起來，它的阻抗變大。在t趨向無窮

11、大大時電容實際上時開路：從電容看過去的阻抗為Zo，它與電阻R并聯，因此呈指數變化的時常數為：剩下的兩種情況可以用同樣的方法來處理，分析的結果總結如上圖8所示。傳輸線上的不連續點到目前為止，討論的都只是關于傳輸線終端負載不匹配的影響，然而通常人們不會僅僅關心電纜負載端，也會注意傳輸線的中間位置，考慮如圖9所示的傳輸系統。兩條特性阻抗都為Zo的傳輸線通過某種連接器連接起來，讓我們假設連接器的在線路中增加了一個電感與傳輸線串聯，分析阻抗不連續點與分析終端阻抗不匹配沒有太多區別。實際上可以把圖中M點右側的所有東西等效為阻抗和小電感的串聯，然后把這個串聯組合當作系統M點處的有效負載阻抗。點M右側部分的輸

12、入阻抗為Zo，等效電路如圖10所示。示波器顯示圖像如圖11只是圖8A的一種特殊情況。電纜損耗評估時域反射技術也可用于對比傳輸線上的損耗，當電纜串聯損耗占主導地位，它會反射一個呈指數上升特性的電壓波，當并聯損耗占主導地位時，它會反射一個呈指數下降特性的電壓波。通過觀察有損電纜的輸入阻抗可以理解這些。假設有損電纜是無限長，則輸入阻抗由下式給出：首先對于串聯阻抗占主導的情況，G與相比較小可以忽略：通過近似方法有當x1，Zin可以被近似為：由于反射階躍的邊沿是由高頻部分組成，R確定小于當t=0+。因此以上的近似對于可以看作是簡單的R-C串聯網絡的有損線路在t=0后的短時間內是有效的。它證明了這個模型完

13、全可以決定傳輸線路的損耗。根據t=0+時的等效電路，有串聯損耗的傳輸線可以等效為圖12所示：有損線路的串聯阻抗是關于導體趨膚深度的函數，因此它隨頻率變化。因此很難把初始斜率和一個真實的R值關聯在一起，然而斜率的大小可以用來對比不同損耗的導體。對于并聯損耗占主導的導體也可以采用相似的分析方法，在這里有損電纜輸入導納由下式給出：假設由于R較小，Yin表達式可以重新寫為：再對開平方根進行近似：t=0+時的等效電路如圖13：在兩種情況中定性的解釋為什么是如圖所示都相當簡單，對于串聯損耗，當時間增加線路越來越像開路因為電壓波沿線傳輸積累越來越多的串聯阻抗驅使電流通過。在并聯損耗中，輸入看起來像短路因為沿線傳輸的電流遇到越來越多的積累并聯電導促使電壓通過。多個阻抗不連續點TDR的一個優點是它可以處理有多個阻抗不連續點的情況，舉例說明如圖14。示波器對這種情況的顯示與圖15中的圖表相似（在ZLZoZo情況下繪制）兩個產生反射的不匹配點可以被分開分析，兩條傳輸線間的不匹配連接點產生一個反射波Er：相似的，負載處得不匹配也會產生反射，它的反射系數為：在ZL產生的在示波器上顯示的清楚的反射用來決定之前必須考慮兩件事，第一，由于ZL產生的電壓階躍反射是，而不僅僅是Ei。第二，來自于負載的反射是：這