时域反射理论.doc

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1、时域反射理论介绍衡量任何电磁系统时域响应最普遍的方法是在时域中解决麦克斯韦方程组。这个过程中会考虑系统所有的几何和电气特性包括传输线效应的影响。然而，这将涉及了不仅仅是一个简单的连接器，而是更复杂的结构如一个多层高速背板。因为这个原因，各种测试和测量方法已被用来协助电气工程师分析信号的完整性。评估传输线和它的负载最常见的方法是传统的在系统中给一个正弦波，在传输线的阻抗不连续点测量波形。在这些测量中在驻波比（）被计算出来并用来作为传输系统的有价值图表。当系统中不止一个阻抗不连续点驻波比（SWR）的测量将会因为无法隔离它们而失败。此外，当宽带传输系统的质量还没被确定,必须在很多频率的情况下进

2、行驻波比的测量。这种方法就会变得耗时和让人厌烦。另一个通用的分析传输线的仪器是网络分析仪。在这种情况下，信号发生器产生一个扫频的正弦波来激励测试中的设备。网络分析仪测量来自待测仪器的反射信号和传输信号。反射的波形可以以各种各样的格式显示,包括驻波比SWR和反射系数。等效TDR格式只有在网络分析仪配备以适当的软件执行一个快速傅里叶逆变换(IFFT)才可以显示。如果用户喜欢在频域中使用s参数，那么该方法效果很好。然而如果使用者不熟悉这些微波导向的工具，学习起来还是相当困难。此外，大多数数字设计师喜欢通过逻辑分析仪和高速示波器工作在时间域。相比其他的测量技术，时域反射技术提供了一个更为直观可见

3、的待测设备特性。用阶跃信号发生器和示波器，快速的边缘跳变发射进入待测传输线，入射电压和反射电压波形可以通过示波器在传输线特定的点上监控到。这种反射技术（见图1）揭示传输线的特性阻抗，它同时显示了沿线各个阻抗不连续点的位置和性质（电阻，电感或电容）。时域反射技术还表明了传输系统的损失是串联损失还是并联的损失。所有这些信息可以立即通过示波器显示得到。时域反射系统也比其它任何测量技术提供了更多有关传输系统的宽带响应的有价值信息。由于时域反射技术的基本原理很容易掌握，即使是那些在高频率测量方面经验有限的人也可以很快掌握这种技术。此应用说明文档的目的是简要介绍时域反射技术的基本原理，以及这些基本原

4、理和可以在实际测试中被测量的参数之间的联系，在深入讨论这些原则之前，我们将简要回顾传输线理论。传输线上的传播经典的传输线路被假定为由RLC组成的连续结构，如图2所示。通过研究这等效电路，传输线的几个特点可以被决定。如果该线是无限长的，而且R，L，G和C的被定义为单位长度上的参数，然后有：Z0是传输线的特性阻抗。信号源产生的电压将需要有限的时间传输至x点。电压沿线传输的电压的相位将会每单位长度落后于信号源产生的电压的相位。而且电压幅度将会因为线路的串联阻抗和并联电导每单位长度衰减，相移和衰减被传播常数所定义：式中：=衰减量（以nepers为单位）每单位长度=相移量（以弧度为单位）每单位长度

5、电压在线路中的传输速度可以依据定义为：单位长度每秒在以空气为介质的传输线中，信号传输速度接近光速Vc，在一般情况下如果为介电常数，则有：传输常数和无限长线路中在x处的电压和电流的关系为：因为电压和电流与线路中任何一点的特性阻抗有着联系：式中：Ein为入射电压；Iin为入射电流；当传输线长度是有限的，终端带有一负载，负载阻抗和传输线的特性阻抗相匹配，则电压和电流关系满足前面所述的等式。如果负载阻抗和Zo不同，那么等式就不再成立，除非认为第二个波是是从负载端发出回传到线路中至信号源。反射波就是没有传输进负载的能量。因此传输系统的品质可以通过反射波和信号源产生的发射波的比值来表示，这个比值叫做

6、电压反射系数，和传输线阻抗有着如下公式所示的关系：如果传输线上带有阻抗非Zo的负载，则传输线上的稳定的正弦波电压幅值与距离成周期性的函数关系，在最大值和最小值之间变化。这种改变叫做驻波由入射波和反射波之间的相位关系引起。电压的最大和最小幅值之比就称为电压驻波比—，它与反射系数呈如下等式关系：如前所述，上面的系数都可以被测量用当前可用的测量仪器，但是驻波比的值得测量会有局限。同样，如果一个系统中含有一个连接器，一条短的传输线和一个负载，测得驻波比只表示了系统的整体性能。它不会显示是否是一个器件产生的反射相位恰好抵消了另一个器件的反射相位。工程师必须做更详细的基于更多频率的测量，才会知道做哪

7、些可以提高系统的宽带传输性能。TDR阶跃反射测试图三显示了时域反射计装置：阶跃信号发生器产生了一个上升沿的入射波作用于待测传输系统，阶跃信号以在线路中传输的速度在传输线中沿线传递，如果负载阻抗和传输线的特性阻抗相同，就没有波会被反射，所有在示波器上看到的只有通过传输线监测点的入射波阶跃电压。如图4所示：如果终端负载不匹配，部分入射波将会被反射，在示波器上会出现反射电压波和入射电压波代数上的叠加。参考图5：定位不匹配位置反射波很容易被