CN106896270A - 一种传输线阻抗的测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及电子技术领域，公开了一种传输线阻抗的测量方法。本发明中，该方法包含以下步骤：S1.向待测传输线的测试源端输入一已知信号；S2.测量所述测试源端针对所输入的已知信号的反射信号的电平幅度V1；S3.利用所述已知信号的电平幅度V、输出阻抗Zs和所述步骤S2中测得的所述V1计算得到所述传输线的阻抗值。通过该方法，使得传输线阻抗测量简单、操作方便，且成本低。

Description

一种传输线阻抗的测量方法

技术领域

本发明涉及电子技术领域，特别涉及一种传输线阻抗的测量方法。

背景技术

传输线是输送电磁能的线状结构的设备，还是电信***的重要组成部分，用来把载有信息的电磁波，沿着传输线规定的路由自一点输送到另一点。

在实际分析传输线上信号质量问题时，需要知道传输线的特征阻抗值，现有一般采用TDR(时域反射计，Time-Domain Reflectometry，简称TDR)测试。其工作原理如图1所示，6为负载电阻。阶跃信号发生器1向被测***发送一个阶跃信号。该信号经过同轴连接头2，沿着传输线5向前传输，如果传输线阻抗连续且等于输出阻抗，将没有信号反射，示波器上能看到的只有发送的阶跃信号。假如传输线的阻抗在某一段发生变化，将有部分的输入信号被反射,示波器上将出现反射信号和输入信号的叠加，采样部分3采集反射信号的幅度，计算出传输线阻抗并输出结果到显示设备4。若TDR的输出阻抗为Z₀，阶跃信号的电平幅度为V，测量到的反射信号的幅度为V₁，传输线的阻抗为Z，存在关系式(1)：

式(1)

将式(1)转化为式(2)：

式(2)

通过测量得到V、V₁、Z₀，则可以根据式(2)计算传输线特性阻Z值。

虽然TDR测试比较精确，但是测试设备昂贵，而且由于实际使用频率不高，导致购买后利用率不高，其价值意义就大打折扣。并且大多数情况下，分析问题并不需要非常精确的测试结果，只需要一个大概的范围就可以满足需求。

发明内容

本发明的目的在于提供一种传输线阻抗的测量方法，使得通过该方法，传输线阻抗测量简单、操作方便，且成本低。

为解决上述技术问题，本发明的实施方式提供了一种传输线阻抗的测量方法，包含以下步骤：S1.向待测传输线的测试源端输入一已知信号；S2.测量所述测试源端针对所输入的已知信号的反射信号的电平幅度V1；S3.利用所述已知信号的电平幅度V、输出阻抗Zs和所述步骤S2中测得的所述V1计算得到所述传输线的阻抗值。

本发明实施方式相对于现有技术而言，向待测传输线的测试源端输入一已知信号，然后测量测试源端针对所输入的已知信号的反射信号的电平幅度V₁，然后再结合已知信号的电平幅度V、输出阻抗Z_s就可以计算得到传输线的阻抗值，已知信号的电平幅度V、输出阻抗Z_s都是已知数据，也就是说，只需测量出反射信号的电平幅度V₁即可，测量方法简单、操作方便；另外，由于本方法的测量设备只需具有输出周期信号的功能，因此无需使用成本昂贵的设备，节约了成本。

另外，在所述步骤S1中，利用一示波器的输出端向待测传输线的测试源端输入一已知信号。示波器应用广泛，采用示波器向待测传输线的测试源端输入已知信号可以使本方法的成本低，有利于本发明在实际应用中的推广。

另外，在所述步骤S2中，利用所述示波器的测试端测量所述测试源端针对所输入信号的反射信号的电平幅度。采用示波器测量测试源端针对所输入信号的反射信号的电平幅度可以使本方法的成本低，有利于本发明在实际应用中的推广。

另外，所述示波器的输出端和测试端利用同轴线和所述待测传输线的测试源端连接。同轴线是常见的信号传输线，连接到示波器输出端的同轴线用于传输电平信号，连接可靠。

另外，所述已知信号的上升沿的电气长度小于或等于所述待测传输线的信号传输延时。由于当已知信号的上升沿的电气长度小于或等于待测传输线的信号传输延时，才能确保已知信号上升沿完全进入传输线时，已知信号的反射信号还没有达到测试源端，提高V1的测量准确性。

另外，所述已知信号的周期大于或等于所述待测传输线的信号传输延时。已知信号的周期结束之前，已知信号的反射信号需要达到测试源端，也就是说，已知信号的周期要大于或等于待测传输线的信号传输延时，提高V1的测量准确性。

另外，所述信号的周期大于或等于所述待测传输线的信号传输延时的4倍。本方法是利用已知信号的上升沿进行测试，在已知信号的半周期后，到来的下降沿会扰乱测试结果，因此，在下降沿到来之前，已知信号的反射信号就要到达测试源端，也就是说，已知信号的周期大于或等于待测传输线的信号传输延时的4倍，提高测试测试结果精度。

另外，在步骤S3中，利用下式计算：通过该公式，可以根据已知信号的电平幅度V、输出阻抗Zs和反射信号的电平幅度V1计算得到传输线的阻抗值Z，从而避免使用TDR设备，降低成本。

附图说明

图1是根据现有技术下TDR的工作原理示意图；

图2是根据本发明第一实施方式一种传输线阻抗的测量方法的流程示意图；

图3是根据本发明第一实施方式一种传输线阻抗的测量方法的原理示意图；

图4是根据本发明第一实施方式一种传输线阻抗的测量方法的等效电路；

图5是根据本发明第一实施方式一种传输线阻抗的测量方法的第一种阶跃信号和反射信号示意图；

图6是根据本发明第一实施方式一种传输线阻抗的测量方法的第二种阶跃信号和反射信号示意图；

图7是根据本发明第一实施方式一种传输线阻抗的测量方法的电平幅度V₁的测试结果示意图；

图8是根据本发明第一实施方式一种传输线阻抗的测量方法的仿真原理示意图；

图9是根据本发明第一实施方式一种传输线阻抗的测量方法的V_out仿真波形示意图；

图10是根据本发明第一实施方式一种传输线阻抗的测量方法的TDR仿真验证结果示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的各实施方式进行详细的阐述。然而，本领域的普通技术人员可以理解，在本发明各实施方式中，为了使读者更好地理解本申请而提出了许多技术细节。但是，即使没有这些技术细节和基于以下各实施方式的种种变化和修改，也可以实现本申请各权利要求所要求保护的技术方案。

本发明的第一实施方式涉及一种传输线阻抗的测量方法。其流程如图2所示，具体如下：

步骤201，向待测传输线的测试源端输入一已知信号。

具体而言，本实施方式采用一示波器的输出端向待测传输线的测试源端输入一已知信号。其中，示波器具有输出周期信号功能；已知信号可以为阶跃信号；示波器的输出端和测试端利用同轴线和待测传输线的测试源端连接。

如图3所示，本实施方式需要一台具有输出周期信号功能的示波器和两根同轴线，其中一根同轴线将示波器的输出端与待测传输线的测试源端连接，另一根同轴线将示波器的测试端与待测传输线的测试源端连接。而且，两根同轴线连接到待测输出线的一端可以做成探针样式，以方便测试。

图4为图3的等效电路。将阶跃信号输入到待测传输线中，传输线的特征阻抗Z和源端输出阻抗Z_s之间产生分压，分压后的信号从源端传输到终端，终端开路，产生全反射又返回到源端，在源端可测试到阶跃信号在传输线中传输的整个波形变化情况，根据此波形幅度变化来估算传输线阻抗变化。

步骤202，测量测试源端针对所输入的已知信号的反射信号的电平幅度V₁。

具体的说，如图5所示，当阶跃信号I₁的上升沿完全进入传输线，反射信号R₁正好到达源端时，阶跃信号I₁和反射信号R₁叠加形成平滑的上升沿；如图6所示，当阶跃信号I₂完全进入传输线后，终端的反射信号R₂还没有返回源端时，阶跃信号I₂会持续在某一电平下直到反射信号R₂到来并叠加，最终使得波形中出现台阶现象，台阶的幅度即为即为Z_s和Z分压的电平V₁，利用示波器的测试端可以测量出测试源端针对所输入信号的反射信号的电平幅度V₁。由此可以看出，产生台阶的最小传输线线长是已知信号上升沿的电气长度。

需要说明的是，由于示波器输入传输线的已知信号是周期信号，本方法是利用已知信号的上升沿进行测试，在已知信号的半周期后，到来的下降沿会扰乱测试结果，因此，在下降沿到来之前，已知信号的反射信号就要到达测试源端，也就是说阶跃信号的周期需要大于或等于待测传输线的信号传输延时，以此提高测试结果的精确度。在本实施方式中，阶跃信号的周期等于待测传输线的信号传输延时的4倍。此时，上升沿和下降沿之间的时间差即为最大传输线延时的两倍。则最大传输线长度和已知信号周期的如式(3)所示：

L_max＝T/4 式(3)；

L_max为传输线的长度，T为已知信号周期.

其中，待测传输线的信号传输延时利用待测传输线的长度、介质的介电常数计算获得，计算公式可以如式(4)所示：

式(4)；

其中，T_trace为传输线延时，L为待测传输线的长度，C为光速，E_r为介电常数。

值得一提的是，产生台阶的最小传输线线长是阶跃信号上升沿的电气长度，即，当阶跃信号的上升沿的电气长度小于或等于待测传输线的信号传输延时，才能确保已知信号上升沿完全进入传输线时，已知信号的反射信号还没有达到测试源端，从而提高V₁的测量准确性。

步骤203，利用已知信号的电平幅度V、输出阻抗Z_s和电平幅度V₁计算得到传输线的阻抗值。

具体的说，本实施方式中已知信号为阶跃信号，V为阶跃信号的电平幅度，Z_s为输出阻抗，V₁为电平幅度，Z为传输线特征阻抗，ESC为通路寄生电容。

对于阶跃信号，ESC近似认为短路，通路中Z_s和Z对阶跃信号V产生分压V₁，根据分压原理则有式(5)：

式(5)；

变化得到式(6)：

式(6)；

然后，通过测试获取Z_s，V和V₁的值，根据式(5)就可以推算出传输线特征阻抗Z值。

举例说明，示波器的周期T＝100KHz，上升时间Tr＝100pS，电平幅度V＝1V，输出阻抗＝50Ω。按照图3连接方法，测试源端波形会存在台阶，台阶的幅度即为Z_s和Z分压的电平V₁，利用示波器测量出台阶的电平幅度V₁。测试结果如图7所示。若测试出反射信号的电平幅度V₁的值为0.42V，则通过式(5)可以计算出传输线阻抗Z＝36.2Ω。

值得一提的是，在本发明的发明人已经通过仿真分析验证本方法的测试是否准确，具体验证方法如下：

首先，如图8所示进行仿真建模。其中，V_source为测试源端，输出阻抗为50Ω，输出的已知信号为上升沿为100pS，电平幅度V为1V，周期T为20MHz的信号。V_out为电压探针，T_microstrip为线宽0.1mm，长度50mm的传输线模型。

得到的V_out仿真波形如图9所示。从图9的仿真结果中可以得到：V₁＝0.583V，V＝1V，Z_s＝50Ω。然后，通过式(6)可以得Z＝69.9Ω，同时得到传输线延时T_trace＝280pS。

然后，进行TDR仿真验证。通过TDR仿真验证传输线阻抗结果如图10所示，从图10可以得到Z约等于70Ω，与通过图9得到的69.9Ω相比，误差很小。也就是说实际测试结果和仿真结果一致，从而证明此方法有效可行。

通过本实施方式，向待测传输线的测试源端输入一已知信号，然后测量测试源端针对所输入的已知信号的反射信号的电平幅度V1，然后再结合已知信号的电平幅度V、输出阻抗Zs就可以计算得到传输线的阻抗值，已知信号的电平幅度V、输出阻抗Zs都是已知数据，也就是说，只需测量出反射信号的电平幅度V1即可，测量方法简单、操作方便；另外，由于本方法的测量设备只需具有输出周期信号的功能，因此无需使用成本昂贵的设备，节约了成本。

本发明的第二实施方式涉及一种传输线阻抗的测量方法。第二实施方式与第一实施方式大致相同，主要区别之处在于：在第一实施方式中，已知信号的周期等于待测传输线的信号传输延时的4倍。而在本发明第二实施方式中，已知信号的周期等于待测传输线的信号传输延时的8倍。

由于示波器输入传输线的已知信号是周期信号，本方法是利用已知信号的上升沿进行测试，在已知信号的半周期后，到来的下降沿会扰乱测试结果，因此，在下降沿到来之前，已知信号的反射信号就要到达测试源端，因此在上升沿和下降沿之间的时间差即为最大传输线延时的两倍。最大传输线长度和已知信号周期的如式(3)所示，也就是说T≥4L。而在本实施方式中，已知信号的周期等于待测传输线的信号传输延时的8倍。也就是说，在已知信号的四分之一周期时，已知信号的反射信号就已经达到测试源端，此时，已知信号的上升沿阶段只完成了一半，远远未到下降沿阶段。因此，已知信号的周期越长，使得已知信号的上升沿结束越晚，下降沿的到来越晚，从而能给予反射信号越充足的时间到达测试源端，以此提高精确度。

当然，已知信号的周期不仅可以等于待测传输线的信号传输延时的4倍或8倍，还以为其他倍数，此处不再一一例举。

通过本实施方式，增加本发明实施方式的多样性，利于本发明在实际应用中的推广。

上面各种方法的步骤划分，只是为了描述清楚，实现时可以合并为一个步骤或者对某些步骤进行拆分，分解为多个步骤，只要包含相同的逻辑关系，都在本专利的保护范围内；对算法中或者流程中添加无关紧要的修改或者引入无关紧要的设计，但不改变其算法和流程的核心设计都在该专利的保护范围内。

本领域的普通技术人员可以理解，上述各实施方式是实现本发明的具体实施例，而在实际应用中，可以在形式上和细节上对其作各种改变，而不偏离本发明的精神和范围。

Claims (10)

1.一种传输线阻抗的测量方法，其特征在于，包含以下步骤：

S1.向待测传输线的测试源端输入一已知信号；

S2.测量所述测试源端针对所输入的已知信号的反射信号的电平幅度V₁；

S3.利用所述已知信号的电平幅度V、输出阻抗Z_s和所述步骤S2中测得的所述V₁计算得到所述传输线的阻抗值。

2.根据权利要求1所述的传输线阻抗的测量方法，其特征在于，在所述步骤S1中，利用一示波器的输出端向待测传输线的测试源端输入一已知信号。

3.根据权利要求2所述的传输线阻抗的测量方法，其特征在于，在所述步骤S2中，利用所述示波器的测试端测量所述测试源端针对所输入信号的反射信号的电平幅度。

4.根据权利要求2所述的传输线阻抗的测量方法，其特征在于，所述示波器的输出端和测试端利用同轴线和所述待测传输线的测试源端连接。

5.根据权利要求2所述的传输线阻抗的测量方法，其特征在于，所述已知信号为阶跃信号。

6.根据权利要求1所述的传输线阻抗的测量方法，其特征在于，所述已知信号的上升沿的电气长度小于或等于所述待测传输线的信号传输延时。

7.根据权利要求6所述的传输线阻抗的测量方法，其特征在于，所述待测传输线的信号传输延时利用所述待测传输线的长度、介质的介电常数计算获得。

8.根据权利要求1所述的传输线阻抗的测量方法，其特征在于，所述已知信号的周期大于或等于所述待测传输线的信号传输延时。

9.根据权利要求8所述的传输线阻抗的测量方法，其特征在于，所述信号的周期大于或等于所述待测传输线的信号传输延时的4倍。

10.根据权利要求1至9中任意一项所述的传输线阻抗的测量方法，其特征在于，在步骤S3中，利用下式计算：

$Z=\frac{Z_s*V_1}{V-V_1}.$