四同轴连接器特性阻抗的计算与仿真建模（可编辑）

四同轴连接器特性阻抗的计算与仿真建模（可编辑） 四同轴连接器特性阻抗的计算与仿真建模 电子科技大学 硕士学位论文 四同轴连接器特性阻抗的计算与仿真建模 姓名:姚明 申请学位级别:硕士 专业:电路与系统 指导教师:张玉兴 20080501摘要 摘要 随着当今电子技术的飞速发展,在民用和军事领域都不可避免地面临高速数 据的采集和传输问题。正是在这种需求背景下,一种专用于高速差分网线并能与 差分信号传输匹配的新型四同轴连接器应运而生。这种连接器具有很高的串音抑 制和抗干扰能力,能节省体积,并能适应恶劣的环境,应用前景十分广阔。由于 目前世界上只有少数公司生产这种连接器,而我国国内尚无独立研发生产的企 业,对四同轴连接器进行研究和开发,对于我国军事和机载项目赶超世界先进水 平有很大的重要性和迫切性。 四同轴连接器的设计应做到使其特性阻抗与传输线匹配,做到信号衰减小, 串音抑 制度 关于办公室下班关闭电源制度矿山事故隐患举报和奖励制度制度下载人事管理制度doc盘点制度下载 高,这就需要首先研究其特性阻抗的计算方法,使生产者能够在人为 控制其特性阻抗在较精确范围内的情况下,做到与不同的传输线在尺寸型号上的 匹配。其次就是要建立起四同轴连接器的仿真模型和仿真系统,使设计者能够对 其复杂的实际结构进行调节,以达到设计要求。 本课题为赛因公司和某厂的合作项目,结合了工程需要,首先提出了一种四 同轴连接器在理想情况下的简化模型,并论证了其可行性;然后分别从电磁场和 数值计算两方面研究了四同轴连接器特性阻抗的计算方法,接着用这两种方法计 算了不同参数条件下四同轴简化模型的特性阻抗,并与仿真结果进行了比 较,可以看出三者数据十分接近,从而论证了两种计算方法的正确性;最后依据 国外一款该类产品的各项参数建立了四同轴连接器的仿真模型,并进行了 仿真,然后将仿真结果与实际产品技术指标进行了比较,论证了仿真模型的可行 性。 关键词:高速差分信号,四同轴连接器,特性阻抗,仿真玎 ..,. , ;. , , .’ .凇 , ,曲 .. , . . . . .,. :曲 , ,?独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。据我所知,除了文中特别加以标注和致谢的地 方外,论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果,也不包含 为获得电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明 确的说明并表示谢意。 签名:鱼匕呈旦 日期:?谚年,月岁日 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文 的规定,有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁 盘,允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文 的全部或部分内容编入有关数据库进行检索,可以采用影印、缩印或 扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 保密的学位论文在解密后应遵守此规定 签名:鱼匕塑 导师签名..童丝墨兰 日期:》移年月;日第一章绪论 第一章绪论 .射频同轴连接器简介 ..射频同轴连接器发展概况 射频同轴连接器是连接电器线路的机电元件,起到使传输线电气连接或断开 的作用,属于失效机理较为复杂的一种机电一体化产品。同其它电子元件相比, 射频连接器的发展史较短。年出现的连接器是最早的射频连接器。到 了二次世界大战期间,随着雷达、电台和微波通信的发展,产生了、、、 、等中型系列,年后出现了、、等小型化产品, 年制定了美国军用 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 ..《射频同轴连接器总 规范 编程规范下载gsp规范下载钢格栅规范下载警徽规范下载建设厅规范下载 》,从此,射频连 接器开始向标准化、系列化、通用化方向发展。在六十多年的时间里,经过各国 专家的共同努力,使射频连接器形成了独立完整的专业体系,成为连接器家族中 的重要组成部分。美、英、法等国家的射频连接器研制技术处于领先地位,其设 计、生产、测试、使用技术趋于完善,不仅形成了完整的标准体系,而且原材料、 输助材料、测试系统、装配工具等也已标准化,并进行专业化规模生产。虽然射 频同轴连接器发展的历史仅有短短的几十年,但因其具备良好的 宽带传输特性及 多种方便的连接方式,使其在通信设备、武器系统、仪器仪表及家电产品中的运 用越来越广泛。 ..射频同轴连接器发展趋势 一、 小型化 整机系统的小型化不仅能使整机实现多功能、便携等特点,而且能大幅度降 低材料成本、运输成本及自身能耗,尤其对航空航天产品,还能大幅度降低发射 成本。元器件的小型化、微型化是整机系统小型化的前提,只有采用小型化元器 件,才能实现高密度安装,才能节省出更多的空间。 二、 高频率电子科技大学硕士学位论文 为了得到更宽的信道空间、实现更高的数据传输速率,整机系统工作频率在 不断提高。军用通讯系统工作频率更是早已跨入毫米波段,要求射频连接器适应 更高的频率。 三、 出现多变种 为了适应不同传输线的连接,同轴连接器在自身结构上也有不同的变化。信 号传输线除同轴传输线以外,逐渐发展出了双绞线、三轴、四绞线、光纤等,相 应的连接器也出现了二同轴、三轴、四同轴等。后面的论述,就是基于二同轴、 四同轴这类特种同轴连接器而进行的。 .高速数据传输线及其互连简介 ..高速数据传输线简介 当今世界通讯系统传输速度的提高非常快,从.增长到目前已超过 的速度,并正向更高速发展。另外机载设备和军用设备上所用的技术也 越来越复杂,要求能在极高的速度下处理日益增加的信息流,同时要求传输系统 要有较高的抗干扰性,较低的损耗,以及适应恶劣的环境。 高速数据传输线大致有如下几种:同轴、三轴、双绞线、四绞线、光纤。在 年以前,传输方式主要以同轴和三轴为主,年以后,双绞线、四绞线 和光纤逐渐的发展起来,并在很多领域显示了巨大的优势。表.列出了几种传 输方式性能的比较,其中用“表示优点的程度,用“一”表示缺点的程度: 表.主要传输方式的比较 带宽 数据传输率 重量 尺寸 防 传输方式 \ 孓 同轴三轴双绞线四绞线光纤 第一章绪论 由表.可以看出,光纤具有无可比拟的优越性,但在很多情况下,特别是在恶 劣环境下必须使用铜材网络,这时双绞线和四绞线应用较多,下面将进一步介绍 二者的特性。 屏蔽双绞线的剖面图如图.所示“,其多用于传输一对差分信号。双绞线 具有低风险、可靠,易于维护的优点,由于两根线扭绞在一起,使其抗干扰能力 强大。而缺点是由于在传输中往往要发送和接收两路信号,所以完整线路全复 式需要两路双绞线,以及两个连接器,即前面所提到的二同轴连接器,所以整 个线路体积较大,重量较大。 图卜屏蔽双绞线截面图 图卜屏蔽四绞线截面图 屏蔽四绞线的截面图如图.所示,用于传输两对差分信号,可看作将两 个双绞线组合在一起,这样就可以把发送和接收两路信号放在一条线中,可以大 大降低线路的体积和重量,一个连接器即可完成全线路,这样的连接器就是四同 轴连接器。四绞线两对差分线呈星型交叉对绞排列,可以提高抗干扰性和最大程 度的降低串扰。四绞线是一种新型的高速传输线,其可靠性和维护性还有待进一 步研究。 ..四同轴连接器简介 射频同轴电缆传输的射频信号可以通过同轴连接器互连,光纤传输的光信号 可以通过光纤连接器互连,而高速网线传输的差分信号也要求有专用连接器能与 之匹配兼容。正是在这种需求背景下一种专用于高速差分网线,能与差分信号传 输匹配的新型四同轴连接器应运而生,并逐渐发展起来,成为铜介质网络高速传 输互连系统的一种重要解决 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 ,其传输速率最高可以达,一般用于 以太网中,因此在国外也叫 以太网四同轴连接器。 电子科技大学硕士学位论文 《一 魏汐 图卜四同轴连接器外观图 四同轴连接器外观如图?所示“??,其摆脱了传统的单体接触件概念,将 个平行信号插芯高度集成在同一个连接器中,通过一个插针组件公接头和另 一个插孔组件母接头的互联实现两路双绞线的高速信号传输,一个连接器即 可完成一个完整的差分信号对全复路传输,可以用来代替原来的两个双绞线连接 器,这样可以节省配件时间%,而且其电性能好得多,如具有极高的串音抑制 能力;连接器自身还具有度全屏蔽和可拆卸性,导电外壳与电缆的屏蔽层形 成全封闭的屏蔽网,抗干扰性极好。其尾部可安装个屏蔽双绞线或个 屏蔽四绞线,也可以直接安装在印制电路板上。 这种连接器的外部结构尺寸与一个标准号接触件相同,所以可作为一个可 以拆卸更换的标准接触件装在各种连接器中同时完成多个高速差分信号的传输 与互连,使系统能够集中布线而不相互干扰,从而使用方便又节省了体积和重量。 为了降低系统功耗,其典型阻抗通常为或,工作温度在度到 度之间。 由此可见四同轴连接器是在恶劣环境下的高速传输网络的最佳选择,目前该 类产品主要用于军用设备和机载设备的高速数据传输。表.列出了四同轴连接 器和其他连接器在功能上的区别。 由于四同轴连接器是一种新型的,结构复杂的接触件,其部分传输特性,如 传输速率,传输带宽等还在进一步的研究中。目前生产这类产品比较著名的厂家 有法国的苏里奥公司和瑞士的雷莫公司,而我国国内尚无独立研发生产的企业。 由于四同轴连接器极好的高速传输性能,以及对复杂环境的适应能力,对其进行 独立的开发研究,对于我国军事和机载项目赶超世界先进水平有 很大的重要性和 迫切性。 第一章绪论 表四同轴连接器和其他连接器在功能上的区别 传输信号 使用传输线 式 连接器种类\\\ 低频电信号,功率能量电 普通连接器 电线电缆 信号 射频同轴连接器 高频微波电信号 同轴电缆 光纤连接器 光信号 光纤光缆 四同轴连接器 高速差分电信号 双绞或四绞电缆 .本课题工作概述 本课题基于赛因公司和某厂的合作项目,此项目目标是研究四同轴的高速传 输机理、仿真设计以及测试技术,从而使厂家能自主开发和生产该类连接器。 本课题主要参照国外同类产品,研究内容包括: .四同轴传输理论研究及建模。要找出四同轴各部分结构、尺寸、材质与阻抗 的关系,建立起数学表达式和理论模型,为四同轴的设计和计算 机仿真提供 参考依据。 .在三维仿真软件平台上建立四同轴仿真模型,以便对四同轴的各种高 速传输参数时域和频域进行仿真设计与动态分析。 电子科技大学硕士学位论文 第二章电磁场基本理论 .电磁场理论的一些基本概念和定律 ..库仑定律 自由空间中作为场源的静止电荷,在其周围中某位置尸处称为场点建 立的强度为 面:卫, . , 式中,‰为空间真空中的介电常数,且‰/,/法/米,,是 场点和源的距离,云,是电场力即受力的单位矢量。在国际单位制中,电 场强度的单位是伏/米/。 空间一点处的电场强度,应是不同位置处的场源在该点建立的电场强度的 叠加,这是一个矢量和。因此场点处的与场源电荷的分布状况密切相关。 ..高斯定律 电场穿过自由空间任一封闭面的总流出通量等于该封闭面所包围的总电 荷除以岛。特殊的,真空中的正电荷,包围的闭合曲面上电场强度矢量的 通量可以通过求以电荷所在的源点为球心、,为半径的球面上的通量来得到。 球面上每一点处所产生的电场强度都一样,在整个球面上的通量为: . 面.:?生.万,.::里 ..电通量密度 依电学性能可以把物质分为两大类,一类是导体,另一类是不导电的介质, 第二章电磁场基本理论 它们通称为媒质。导电体内存在大量自由电子,理想导体内不能存在电场,否则 在电场作用下大量自由电子的定向运动将导致无限大的电流。因此理想导体内的 电场强度恒为零,其表面上电场强度只能存在法向分量。 在电介质中若存在电场,介质的中性分子被极化而成为电极性分子。此时介 质中的电场考虑到介质分子极化,必须用一新的矢量函数电通量密度矢量又称 为电位移矢量来表示,定义了矢量之后,高斯定律的数学表达式可以改写 为: 嗔历??驴. ?? , 显然,具有通量密度的含义。 ..磁场强度 对于磁场,媒质也可以分为导磁媒质与磁介质。对比电场和磁场的情况可知, 电场和磁场的存在及其性质的描述都是通过作用力来体现的,电场是以对电荷的 静电作用力来表示,磁场则是以对运动电荷的作用力??洛仑兹力来表示。电场 与磁场在媒质中分别用电通量密度和磁通密度‖日来表述。而、‖则 是表示媒质电磁属性的参数,在绝大多数场合它们是常标量,在空气中一般可以 认为与真空中一样,即取靠、‰。 在引入磁场强度矢量日之后,可导出反映磁场与其源之间关系的另一数学表 达式??安培环路定律 《万? 此式的意义是磁场强度日沿一闭合路径的积分, 即环量,等于此路径所围 电流的代数和。 .电磁场的基本方程 ..全电流定律:麦克斯韦第一方程 安培环路定律是说传导电流产生磁场,并确定了场源电流所产生磁场的数学 关系。麦克斯韦对安培环路定律的场源引入了位移电流的假设,即位移电流也可 电子科技大学硕士学位论文 以产生磁场。把安培环路定律扩展为场源有传导电流和位移电流的全电流定律 , 万? 了害? 这个数学表达式也被称为积分形式的麦克斯韦第一方程,重要的是它指出时 变的电场可以产生磁场。 ..法拉第一楞次定律:麦克斯韦第二方程 媒质空间中的任意闭合路径,所围磁通可以更精确的用磁通密度在,所围 曲面上的积分表示,,上的感生电动势用电场强度在,上的积分表 示,可以得 出: 护历一謦 这个数学表达式又被称为积分形式的麦克斯韦第二方程,它解释了变化的磁 场可以产生电场这一电磁学中的深层次关系。 ..高斯定律:麦克斯韦第三方程 静电场中的高斯定律表示了电荷作为场源与其产生的电场之间的关系:嗔?工‖矿 却‘ 即空间一闭合曲面上电通量密度的通量,等于该曲面所围体积矿内的电荷总 量代数和。高斯定律可推广到任意电场,即不仅适用与静电场,也适用于时 变电场,上式称为积分形式的麦克斯韦第三方程。 ..磁通连续性原理:麦克斯韦第四方程 与电场的高斯定律相对应,磁场则因磁力线总是闭合的,其通量总是零,这 就是磁通连续性原理,其数学表达式是: 嗔否? 这就是积分形式的麦克斯韦第四方程。 上述四个方程组成的方程组,表述了在空间一局部区域中场与其源的关系、第二章电磁场基本理论 电场与磁场的关系,称为麦克斯韦方程组的积分形式。麦克斯韦方程组是分析研 究电磁场与电磁波的基本理论依据,被称为电磁场的基本方程组。这组方程揭示 了时变条件下电场与磁场的互为因果、相互依存的关系,蕴含着电磁波的产生与 传播的理论依据。 在线性各向同性媒质条件下,谐变麦克斯韦方程组是研究导行电磁波和辐射 电磁波问题的理论依据。电磁波就是传播着的时变电磁场,它是由时变的场源也 称作电磁扰动而引起的。 .电磁场的媒质边界条件 在两种不同媒质的分界面上,由于媒质性质的变化表现为占、‖、盯为不 同值,电场和磁场也将发生相应的变化。 ..电场的边界条件 在两种媒质界面处电场强度的切向分量相等无条件连续,电通量密度的 法向分量有条件连续。显然当媒质界面上没有自由电荷分布时,电场强度的法向 分量因占的突变不可能连续。 ..磁场的边界条件 如果在媒质界面上存在沿界面的传导电流比如媒质之一为导体,在两种 媒质界面处,磁场强度的切向分量是有条件连续的。在两个媒质的界面处,磁通 密度矢量的法向分量无条件连续。 ..理想导体与介质界面上电磁场的边界条件 理想导体中不能存在电场和时变磁场。当均匀平面电磁波垂直入射到两种不 同媒质界面上时,因两种媒质的电磁参数、‖的突变,在媒质边界面上既有透 过界面进入到第二种媒质的折射波,也有离开界面返回到第一种媒质的反射波。 此时电磁波既要满足在媒质中的波动方程,又要满足媒质界面上的边界条件。 电子科技大学硕士学位论文 .电场与磁场的能量及坡印廷定理 电荷在其周围空间产生的电场,可使此空间中另一电荷受力移动而对其 做功,可见电场中存在着能量。同样,一载流导体在磁场中因受洛仑兹力而移动, 表明磁场对此载流导体做功,磁场中存在着能量。所以,电场、磁 场作为物质存 在的一种形式,具有能量且分布于场存在的整个空间。 电磁场的能量应如其它形式的能量一样服从能量守恒原理。如果闭合面内 的媒质为线性各向同性的均匀媒质,且无外加能源,坡印廷定理可以表示为 .“一‘ 一屯×日。兰【【卅矿. 它表述了在一个有电场、磁场存在的空间区域内,电磁场能量守恒关系。式. 等号右侧的第一项表示在该空间区域内电场、磁场能量在单位时间的增加量,即 电场、磁场能量的增长率。等号右侧的第二项【,葩表示在该空间区域内单 位时间内媒质损耗转变为焦耳热的能量功率。等号左侧的闭合面上的积分, 表示单位时间进入闭合面内矢量的通量,即进入该区域的电磁场功率。 从电路概念上讲,谐变量的平均功率是由导线传输过去的,而传输线同轴 线以及平行双线、金属波导等只是起到定向导引电磁场功率流的作用。 .矩量法概要 矩量法是一种应用范围较广的数值计算方法。在电磁理论中,很多问题都可 以化为非齐次或齐次积分方程和偏微分方程,通常我们很难求得这种方程的解析 解,矩量法结合计算机技术提供了一种有效的数值求解方法。 在电磁工程应用中,许多问题都归结为如下算子方程 / 式中是线性算子,为已知激励函数,/为未知函数如导体上的感应电荷分 布、散射体上的感应电流密度等。令厂在三的定义域内被展开为某基函数系石, 五,五??的线性组合 ?口。丘 式中吒是展开系数,被称为展开函数或基函数。对于精确解,式?通常 是无限项之和,且形成一个基函数的完备集,对于近似解,将式.代入式 箜三童皇丝堑董奎堡迨?? ??????????????????????一??一 .,再应用算子的线性,便可以得到 ?口。 在三的值域内定义一个权函数的集合?,,??,并就每一个%对? 式两边取内积,得 ?口。%,玩《%, 式中掰:,,??,此方程组可以写成如下的矩阵的形式 . 式中称为矩量矩阵,称为基向量,称为激励向量,具体如下: %,颈,玩?; ; 。, 彳:三最多三三瓷;凳三.;;;三最三 . . 于是,可将未知函数厂写成 . . ..电子科技大学硕士学位论文 第三章传输线理论 .均匀传输线理论 ..均匀传输线方程及其解 微波传输线是用以传输微波信息和能量的各种形式的传输系统 的总称。一般 将截面尺寸、形状、媒质分布、材料及边界条件均不变的微波传 输线称为均匀传 输线,把导行波传播的方向称为纵向,垂直于导波传播的方向称 为横向。无纵向 电磁场分量的电磁波称为横电磁波,即波。 微波传输线大致可以分为三种类型。第一类是双导体传输线,它由两根或两 根以上平行导体构成,因其传输的电磁波是横电磁波波或准波, 故又称为波传输线,主要包括平行双线、同轴线、带状线和微带线等;其 它两类分别是均匀填充介质的金属波导管和介质传输线。 均匀传输线都可等效为如图.所示的均匀平行双导体系统。选取传输 线的纵向坐标为,坐标原点选在终端处,波沿负方向传播。在均匀传输线上 任意一点处,取一微分线元止,该线元可视为集总参数电路,其上有电阻、 电感止、电容和漏电导其中、三、、分别为单位长度电阻、 单位长度电感、单位长度电容和单位长度漏电导,得到的等效电路如图 所示。 ‘吆 掣 ? ? 叫?卜 弓。, 【】 图 均匀平行双导体系统;等效集总参数电路 第三章传输线理论 对很小的止,忽略高阶小量, 应用基尔霍夫定律司得到: 一掣刊力三掣 一??:“亿,?? 这就是均匀传输线方程,也称电报方程,其解可表示为: 气 叩弦 【』 其中,、为待定系数,由边界条件决定。厂为电压传播常数,其实 部口为衰 减常数,其虚部‖为相移常数,且 口,‖ 为传输线的特性阻抗,其定义为传输线上导行波的电压与电流之 比,通常是个 复数,由传输线自身分布参数决定且与工作频率有关,而与负载 及信源无关,且 有: :幽:一幽:./幽 ‘ 、『 传输线上电压和电流以波的形式传播,由.式可见,在传输线上任一 点的电压或电流均由沿吆方向传播的行波称为入射波和沿方向传播的行 波称为反射波叠加而成。 ..无耗均匀传输线 用于传输信号的传输线其结构必须均匀,这样其分布电路参数、 、、 乃至传播参量、等才会是常数,否则传输线的问题将难于分析和得出有效 结论。线无耗,即,,这是实际上不可能存在的理想化条件,但通常 传输线都是由良导体制成的,且所用介质的高频损耗也很小,这样《, 《是可以满足的,也就是说是很接近理想情况的。 在,的条件下有: , 篙抬电子科技大学硕士学位论文 即传输线的波阻抗为实数,即为纯阻。 均匀无耗传输线上的任一位置处的电压、电流可简化为: ‘?’ ’‘』主了谚一以 当负载阻抗时,传输线上反射波电压和反射波电流‘均为 零,传输线上只存在入射波电压配及入射波电流‘。这种情况称为传输线 与负载匹配,其条件就是。 传输线与其终端负载匹配时,线上任一位置处的输入阻抗为: . 乙:攀:攀::乙即乙与位置无关,恒等于负载乞或传输线的特性阻抗,这是匹配状态 时传输线的重要性质之一。同时我们还看到,传输线的特性阻抗乙等于传输线同 一位置处的入射波电压与入射波电流‘之比,即 :幽 ‘ 这个结果与传输线匹配与否无关,入射波电压?与传输线两导体间的电位差 相关,或者说与双导体间电场相关;入射波电流则与线外空间的磁场相关。 当传输线与其终端所接负载匹配时,线上任一位置处向负载方向传送的功率 都等于入射功率只。那么当传输线与其终端所接负载不匹配时, 只,其原 因是由于有反射波,,,存在。 传输线与其终端所接负载匹配与否直接决定传输线有无电压、电 流的反射 波;而传输线上反射波的有无或大小直接影响到传输线的工作。终端接有负载的 传输线上任一位置处的反射波电压与入射波电压配之比定义为电压反 射系数,用以表示传输线上反射波的大小,通常是一复数,其模值为:州肛臻?? 无论从表达式还是从物理意义上解释,都不大可能大于。 接有负载阻抗互的传输线在正弦时变信源的激励下,依线上电压反射系数 的有无或大小,可把传输线区别为行波、驻波、和行驻波三种工作状态。反 射系数就是表征工作状态的参量。 .第三章传输线理论 行波状态实现的条件是,,即传输线与其终端所接负载匹配,则有: ? 乙乙 只鼻 行波状态是传输线的理想工作状态。此时线上无反射波,只有自信源向负载 传播的电压和电流的入射波。它们是沿线幅值不变而向负载方向 相位依序滞后的 行进波,传输线上不同位置处的输入阻抗都一样,都等于负载阻抗或传输线的特 性阻抗。信源激励的信号功率完全到达负载端并被负载吸收。 当传输线终端接一般负载乙见.%时,反射系数的模值,也 就是说传输线工作在部分反射的状态,介于行波匹配,无反射和驻波全反 射之间,因而称为行驻波状态。在电信工程实际中,无论是长途通信线路与终 端机的连接,还是无线电收发机的馈线与天线之间的连接,多是这种情况。线上 任一位置处传向负载的信号功率只也总是小于信源入射的功率只。 为了定量说明传输线上呈现驻波的程度,定义电压驻波比简称驻波比 这样一个参量,它等于电压波腹值与电压波节值之比,即 /. . / 显然,电压驻波比间接地反映了传输线上反射波的有无及大小, 或者说也可以 反映传输线的匹配情况。 电压反射系数的模值,可以由已测的电压驻波比求出: . 呦嚣 ..有耗均匀传输线 实际应用的传输线都是有损耗的,即线的分布电路参量中咒和不可以忽 略不计。对于接有负载阻抗,的有损耗均匀传输线,一般情况下线上任意点处 反射波与入射波并存。线上反射波与入射波相位相同点处,入射波与反射波叠加 形成波腹;相位相反的点处,入射波与反射波叠加形成波节。 在有耗均匀传输线上,电压反射系数的模值与位置有关,在负载点处最 大,越向信源靠近越小,直至为零。 计算传输线导体的高频损耗电阻的公式为 电子科技大学硕士学位论文 一 磊 式中盯为导体材料的导电系数;为导体有效导电面积,它要小于导体的实际截 面积。因为要考虑高频时导体的趋肤效应。这里要引入导体的投入深度万,其计 算公式为: . 万岳 可见,传输线导体导电系数莎越大,工作频率越高则透入深度万越小,导体的 有效导电截面积越小。 有损耗均匀传输线的介质损耗,主要是介质的高频损耗,它与介质材料的损 耗角正切。 .差分传输线 ..差分信号 “差分是用一个数值来表示两个物理量之间的差异。从严格 意义上来讲,所有电压信号都是差分的,因为一个电压只能是相对于另一个电压 而言的。在某些系统里,系统“地”被用作电压基准点。当“地’’当作电压测量 基准时,这种信号规划被称之为单端的,因此很多信号是用单个导体上的电压来 表示的。 一个差分信号 是作用在两个导体上的,其波形如图. 所示,信号值是两个导体间的电压差。这两个电压的平均值经常 保持~致。驱动 端发送两个反相的信号通常是等值的,接收端比较这两个电压的差值,比如 来判断是逻辑状态“”还是“等。丽承载差分信号的那一对走线就称为差分 走线,用一对标识为和.的导线来表示。当.卜时,信号定义成正极信号, 当时,信号定义成负极信号。 当不采用单端信号而采取差分信号方案时,用一对导线来替代单根导线,增 加了任何相关接口电路的复杂性。但差分信号方案有其明显的优势如下: 第一,由于可以控制“基准电压,所以能够很容易地识别小信号。在一个 地做基准,单端信号方案的系统里,测量信号的精确值依赖系统内“地”的一致 第三章传输线理论 ~ 正极信 、.厂 / \ ???,/ ’’‘,.一 逻辑状 态变化负极信‘ 图差分信号波形 性。信号源和信号接收器距离越远,他们局部地的电压值之间有差异的可能性就 越大。从差分信号恢复的信号值是在某一范围内的,在很大程度上与“地的精 确值无关。 第二,它对外部电磁干扰是高度免疫的,抗干扰能力强。因为两根 差分走线之间的耦合很好,一个干扰源几乎相同程度地影响差分信号对的每一 端,当外界存在噪声干扰时,几乎是同时被耦合到两条线上,而接收端关心的只 是两信号的差值,所以外界的共模噪声可以被完全抵消。既然电压差异决定信号 值,这样将忽视在两个导体上出现的任何同样干扰。除了对于扰不大灵敏外,差 分信号比单端信号生成的还要少,由于两根信号的极性相反,他们对外辐 射的电磁场可以相互抵消,耦合的越紧密,泄漏到外界的电磁能量越少。 第三,一个单电源系统能够从容精确地处理“双极”信号。为了处理单端、 单电源系统的双极信号,我们必须在地和电源干线之间某任意电压处通常是中 点建立一个虚地。用高于虚地的电压来表示正极信号,低于虚地的电压来表示 负极信号。接下来,必须把虚地正确地分布到整个系统里。而对于差分信号,不 需要这样一个虚地,这就使我们处理和传播双极信号有一个高保真度,而无须依 赖虚地的稳定性。 第四,时序定位精确。由于差分信号的开关变化是位于两个信号的交点,而 不像普通单端信号依靠高低两个阂值电压判断,因而受工艺,温度的影响小,能 降低时序上的误差,同时也更适合于低幅度信号的电路。目前流行的就是 指这种小振幅差分信号技术。 ..差分传输线等效电路分析 首先讨论单根走线的情况,如图所示。线的特征阻抗为,其上流经 的电流为,。根据欧姆定律,沿线任意一点电压对地为 电子科技大学硕士学位论文 . 图典型的单根走线 图?演示了一个线对。线具有特征阻抗,与上文中。一致,电流‘。 线具有类似的定义。当我们将线向线靠近时,线上的电流开始以比例常 数耦合到线上。类似地,线的电流‘开始以同样的比例常数耦合到线上。 图?典型的线对 根据欧姆定律,每根走线上任意一点的电压为: 四 阶?笼譬代 现定义 × . 这样.式可以写成 , 毳耋:薹兰×乏 差分线对的情况如图所示,其等效电路可以用双端口网络描述成图. 所示。此电路是差分传输线的无损不包括并联电导和串联阻抗等效分析电路。 其中包含串联电感、交互电感乙、对地电容和差分电容。。为线 的特 性阻抗,,,为线的特性阻抗,为两线间电流的影响系数。 假设两个电导是对称的,两个自电感相等,并且两个对地电容相等,则 ,笼。,而且差分线对经负载构成信号发送和返回的串联通路,这样 一厶,代入.得: 第三章传输线理论 乞?斗十’ 门 ?~??一.?木? 图差分线对示意图 图差分线路的等效电路 ב:已 一ב一 显然,根据差分信号的特点可知,一。 有效差模阻抗的定义:电压以地为参考,线的有效阻抗单独来 看,在差分对中叫做“差模阻抗,通常叫做“单线阻抗为电压除以电流, 这样就可以计算出单线差模阻抗乙, 计算公式 六西格玛计算公式下载结构力学静力计算公式下载重复性计算公式下载六西格玛计算公式下载年假计算公式 为: 矿 ? 厶一? 』 由此可以看出,在存在另一根差分线耦合的情况下,单根差分线的有效阻抗是略 小于一根导线单独存在时的特性阻抗的。在差分对完全对称的情形下,线的差 模阻抗与此相同。 假定在某一瞬间我们将两根走线用电阻端接到地,因为一‘,所以根本没 有电流流经地。为了将差分信号和地噪声隔离,一定不能将它们接地。因此通常 的连接形式如图.所示,为了防止反射,用单个电阻连接线与线,电阻的 值是线和线差模阻抗之和。 差分阻抗的定义:%可以表示为以下公式: 电子科技大学硕士学位论文 . %:筝:华:甜 由此可见,差分阻抗比单线阻抗的倍略小。这就是为什么经常一个差分对具有 大约的差分阻抗,而每个单线阻抗是的原因。 共模阻抗的定义:为了讨论完整起见,共模阻抗与上面略有不同。 第一个差 别是‘厶没有负号,这样式.就变成: 毳; 暑ב 正如所期望的,巧。因此单线阻抗是ב。在共模情况下,两根线 的端接电阻均接地,所以流经地的电流为五厶,且这两个电阻对器件表现为并 联,也就是说,共模阻抗是这些电阻的并联组合。这样时,厶厶,通过公 式, 就可以得到共模阻抗乙。。的计算公式为:乙。。寺××寺。: 这里可以估计差分对的共模阻抗大约比差模阻抗的/略小。 当巧和%间加入差模电压信号时,电流的流向和通过交互电感的电压降方 向与自电感方向相反,交互电感乙起减小电感的作用,总电感为厶一乙,总电 容为。对于这种情况,差模阻抗乙由公式?计算: , 乙善特 如果两线间的距离大于传输线距地电层距离的倍,则传输线线间的耦合可 以忽略不计,差模阻抗乙近似等于单线阻抗。单线阻抗可由自电 感丘和 对地电容决定。 单线阻抗的计算公式: ?詈 .. 技术简介 是一种低摆幅的差分信号技术, 它使得信号能在差分或平衡电缆上以几百的速率传输,其低压幅和低 州第三章传输线理论 电流驱动输出实现了低噪声和低功耗。 物理接口使用.偏置提供摆幅的差分信号。驱动和 接受器不依赖于特定的供电电压,因此它很容易迁移到低压供电的系统中去,而 性能不变。图.给出了典型的接口,这是一种单工方式,当然很多完整 的复路是半双工、双工、多点配置的方式,~般在噪声较小、距离较短的情况下 适用。每个点到点连接的差分对由一个驱动器、互连器和接收器组成。驱动器和 接受器主要完成信号和信号之间的转换。互连器包含电缆如双绞 线、四绞线、上差分导线对以及匹配电阻。驱动器由一个驱动差分 线对的电流源组成通常电流为.,接收器具有较高的输入阻抗,因 此驱动器输出的电流大部分都流过的匹配电阻,并在接收器的输入端产生 大约的电压。当驱动器翻转时,它改变流经电阻的电流方向,因此产生 有效的逻辑“和逻辑“”状态。低摆幅驱动信号实现了高速操作并减小了功 率消耗,差分信号提供了适当噪声边缘和功率消耗大幅减少的低压摆幅。功率的 大幅降低允许在单个集成电路上集成多个接口驱动器和接收器,这提高了 板的效能,减少了成本。 图典型的接口 不管使用的传输媒质是线对还是电缆,都必须采取措施防止信 号在媒质终端发生反射,同时减少电磁干扰。要求使用一个与媒质相匹配 的终端电阻,该电阻终止了环流信号,应该将它尽可能靠近接收器 输入端放置。驱动器能以超过.的速度驱动双绞线对,距离超过 。对速度的实际限制是有:?送到驱动器的,不数据的速度;?媒质的带宽 性能。通常在驱动器侧使用复用器、接收器侧使用解复用器来实 现多个’信 道和一个信道的复用转换,以提高信号速率,降低功耗,并减少传输媒质 和接口数,降低设备复杂性。电子科技大学硕士学位论文 第四章四同轴连接器特性阻抗的计算 .四同轴接头理论模型的简化 在四同轴连接器的设计过程中,需要建立理论模型,对其特性阻抗等参数进 行计算,从而为其设计和计算机仿真提供参考。 在不考虑其机械拔插特性影响的情况下,研究时可以将四同轴连接器插孔插 针组件连接在一起考虑其总体特性。这样四同轴连接器理想模型如图.所示, 其由四根平行金属圆柱内导体、一个金属屏蔽外导体以及它们之间填充的均匀介 质组成。其中金属导体~,分别为两组差分信号传输对。 图.四同轴连接器理想模型 四同轴接头理论模型的截面图如图.所示,四根内导体呈完全对称四相交 错的正方形结构排列,设差分对上传输有大小相等,方向相反的电流,它 们与导体的耦合电感分别为厶。和乞。,相应会产生耦合电流毛。 和;,并且 ‘ ,。厶 幺?匕 如果接头是按如图?完全对称设计,并且制造工艺足够精确,则,从 而使 ? ‘ 即差分信号传输导体对在导体上产生的感应电流大小相等,方向相反, 导体上由于导体对~而产生的总感应电流为零。这样,由差分信号的特性可知, 其中一对传输导体对另一对传输导体的串扰耦合可以基本抵消,从而使由于传输 导体对也的电磁干扰而在其它导体例如导体上的总耦合阻抗很小,几乎第四章四同轴连接器特性阻抗的计算 为零。这样在工程上可以认为导体的特性阻抗不受导体对~的影响。 /一一?~, / /一. , ,~ / / \ ~ 图?四同轴连接器理论模型的截面图 由此可以估计,四同轴连接器特性阻抗和二同轴的情况下差别不人。为此, 以电磁仿真软件的仿真为例来证明。 首先要说明的是,本文提到的四同轴接头特性阻抗是指其两对差分信号传输 导体在四同轴的特殊结构下各自的差分阻抗乙舯,后面统一都用。代替,由第三 章可知,由于差分传输导体对自身的耦合,将比导体对中的导体单独存在时的 特性阻抗的二倍略小。 利用软件分别对同样结构尺寸的四同轴和二同轴理论模型特性阻抗仿 真如图。和.所示,图.为四同轴情况,设四同轴模型外导体半径, 内导体半径,.,内外导体轴心距.,介质采用空气,在 的频率下仿真得到的四同轴模型特性阻抗。?;图.为二同轴情况,其 特性阻抗。?,两者十分接近。通过多次仿真验证还可以发现, 相同参数 情况下的四同轴比二同轴理论模型特性阻抗略小。图 中四同轴理论模型的建立;四同轴特性阻抗的仿真结果电子科技大学硕士学位论文 瓣鬻蒸黪露鬻爹嚣塑登雾鬻”鬻 蠢器辫鬻蘩溪蕊蕊懑寨繁黪簿图 中二同轴理论模型的建立;二同轴特性阻抗的仿真结果 因此,为了便于分析,在研究四同轴理论模型特性阻抗时,可以从其简化模 型二同轴入手,研究二同轴结构特性阻抗的数学表达式。鉴于二同轴模型结构仍 比较复杂,现分别从电磁场分析和数值分析两个方面来研究其特性阻抗的计算方 法。 .四同轴简化模型的电磁场分析 四同轴简化模型的电磁场分析主要是研究模型内部的电磁场分布规律,并希 望通过工程近似的方法得到四同轴简化模型特性参数的闭合表达式。对模型的分 析过程中,可以从未屏蔽双导体的分析入手,进而分析屏蔽双导体系统的情况?。 ..简化模型有效电阻的分析 初步可预知简化模型有效电阻。由四部分组成,即 足嚷邻金 其中,为~导体回路的直流电阻;隹为因趋肤效应而在~中产生的附加 电阻;尺徘为金属导体间由于邻近效应而产生的回路附加电阻。可通过图.加 以分析,以~导体间的邻近效应为例:导体通过交流电流时,在导体上产 生涡流,。,,。与导线上基本电流相作用后,在导体靠近的一端叠加为。,在 导体远离的一端为,一,。,从而造成了导体界面电流的重新分布。而垒是由于在 临近导体如~、金属屏蔽壳等中引起的涡流损耗而产生的附加电阻。接下来, 分别讨论非屏蔽和屏蔽情况下足的求解。 第四章四同轴连接器特性阻抗的计算 图? 以导体间的邻近效应 在考虑屏蔽体的损耗之前,可以先只讨论非屏蔽对称导体回路~的内阻抗。 由方程 ‘ , 』乳一一。. 选取圆柱坐标系,取轴为电磁场能的传播方向,假设传播的是正电磁波,因此 在方向传播的分布函数为耐一肛,以为电磁能在方向的传播常数。 在金属导体中,可忽略位移电流:雷,将式.按圆柱坐标展开, 使导体的轴线与坐标轴相一致。这样仅有电流沿着方向流动,所以在导体中 的二个电场分量%和耳都为,从而磁场分量皿。利用此简化条件,式? 的圆柱坐标系展开为: :一士等 穸 .. 去等 ?? 譬生一三冬:幔 劣 ,. ,伊 .. 式.、舢.、.是描述纵向方向载流导体中电磁场特性的基 本方程。式..中对矽微分,..对,微分后,代入..式,可得 下列方程:由于在方向变化较在,.方向变化小的多,可忽略/电子 科技大学硕士学位论文 件, : 等弓等吉等书置 式?中?掣盯为涡流系数;‖为导体导磁率,‖一一/,;以 为导体相对导磁率;仃为导体导电率/。 利用分离变量法求解式,设易具有下列形式: 忍?,? 代入.整理得: 嗡’ 萨页万一扔,.一虿 萨十页万弋、/‖。一一虿 显然式.两边必等于同一常数,,这样可分离出两个方程: 了一:?? 缈。 件九 二. 塑一;万一?州 引扔吾 其解的形式为: ? 缈 口见 .、/ 式一、?中:厶为第一类阶变质贝塞尔函数:为第二类阶变质 贝塞尔函数。以、%、、乜为与有关的积分常数。这四个常数需要 利用 边界条件求解,为此在对称回路的横截面上建立有关,和矽的坐标。选定坐标原 点与图中的导体重合,计算角的起始轴为左右导体的连心线。这样,当 矽和伊万时,丘对妒的导数为,即 . 斋卜钏历”疗咖研蛾,力 要使式?成立,则见,又因为第二类贝塞尔函数巧在时为无穷大, 而电场是有限的,所以邑,此时的表达式为: . .广、/。朐 . ,。?歹令彳。一?? 一笙婴童婴旦塑壅董墨鲎壁堕亟丝盐塞 一??????????????????????????????????一 所以式.的全解为: ? 、 易 利用导体与介质分界面处的边界条件,可确定。因此还应计算对称回路 介质中的电磁场。对于介质来说,仃所以露,这样式?变为: 塑‘三堕.三垫 \。 ?????.上一???二 一 其全解可写成: ? 呼 ,.?吃”. 易 再利用?.式可得介质中的磁场强度为: 椰 即/嘴喜华一矽 由于场强的 利用边界条件,设导体半径为%,在导体表面上,处, 连续性,导体及介质中的电、磁场应彼此相等。即 以厶?.,‰产.. . 当雅?‘ 以?歹概‘?歹砜或%一:% 及 . ,.当刀:时 以?『纸厶、/,砜 可以得到: 一再 年 妒碱丽赫’ ,件, 聍糍, . 而瓦习。两, .电子科技大学硕士学位论文 件, 四型/;丝咖 将这些常数值代入式、,并令尸龟可以得到导体表面的也和以: 乏?缮一厄婶 心乏’ 牛去睢 . . ”舻志 筋盟/:/ . :丝蜘三 砌一。办‰ 当导体中流经电流为且电流密度沿导体截面为均匀分布时,即也 与伊无 关,则摆,这样 件, 以去去 由此可得: . 玩掣 介质中的磁场强度为: %赤善。亩.?孙厄卜 件。 ’ 叶 去砉磐/?驴砉等?矽 万,.鲁 ’智/掣 式.中等式右端前两项都随着,的增加而减小,所以它表示图左边导 体中流过电流所产生磁场,而最后一项随,的增大而增大,它是图中由右 边导体中流过电流所产生的磁场。 由对称性,当矽时,右边导体中电流所产生的场可写成下列公式:第四章四同轴连接器特性阻抗的计算 善唧州丽喜蛾静 等式左端代表一个,.的指数递增级数,等式右端也可展开成一个, 的指数递增的 级数,并令厂的指数相同的各项系数相等,最后可得易的近似解 如下: 尽%一,.孝尽%孝石垦君孝筋? 警孝孝石垦学孝筋? . 马茗一,.』/孝蜀%孝石筋? 式中孝。 导体的阻抗可根据坡印亭定理来确定。对于单位长度的圆柱导体 所耗功率 为: ? 只口口”包%嘭%?%缈 将式.代入式.可得未屏蔽对称回路阻抗 互扣‰嘻绷?训?纠怯卜喜以硼缈肛缈 寺丝秀等篆喜哦或君砸一厄】 . 将式舢的买部分离出采,司得导体电阻: 墨寺警局啪象扣嘲训件, 以力,吼功均为实函数, 令:一磊.。石,及工‰ :工,一一。功。 则一篇了 经过变换以后得:电子科技大学硕士学位论文 ??????????????????????????????????????????????????????? ????????一一 去?辱以班铷州耕飞丽砂以抄..”, 其中,令:%麦亨‘/对于铜导线,尸孑?。. 望? 令州加竽删州加竽“力;即《鬻扣, 得: ., 墨,力石,詈,日曲鲁尸? 化简可得未屏蔽导体对交流有效电阻公式: 叠: 口 ?墨 力 ?/研 . 一?工鱼 口 式中:,石为内磁场所引起的涡流损耗的等效电阻系数;石为回归 导体外磁 场所引起的涡流损耗的等效电阻系数;日为顺向导体内二次磁场 引起的涡流 损耗的等效电阻系数。 对铜导体,值可按下列公式计算: . 工晚 式中:为导体半径单位:,/为电流频率。 当时,系数,功,功,的计算公式分别为: 工 , ,曲:学 “。? 日,、 ,????,???、,???????~ 瓠等一斟们 在加入屏蔽体后,除了要考虑趋肤效应和邻近效应对回路传输特性的影响 外,还须考虑屏蔽体对导体对周围电磁场的影响以及屏蔽体自身的能量损耗,可 用电阻表示为如。 加入屏蔽体前后导体对周围的电磁场变化可以用图表示。在屏蔽体内电 磁能的径向分量在碰到屏蔽体后,有一部分能量透入屏蔽体,而其余部分则反射第四章四同轴连接器特性阻抗的计算 回来与原来的场相叠加。当交流电磁场穿入屏蔽体后,在其内部产生了感应电流, 即涡流,方向见图。涡流在够。处是顺向的,即与对应导体中电流反 向,而在秒。是反向沿屏蔽体流动。由于这两个点是涡流集中处,相应的 矽。和。时,涡流为。 回路场? 妒暑’ 伊’ ? 屏蔽体的反射场日。 合成场日胃。 图加入屏蔽体前后双导体周围的电磁场变化 所以我们可以认为,屏蔽体内的涡流是在。和。处流动。由于涡流方电子科技大学硕士学位论文 向与对应导体中电流方向相反,其产生的反射场与原导体产生的基本场在屏蔽体 内叠加的结果,使合成场比未加屏蔽时小,从而减小了原双导体的邻近效应。可 以分析得出,合成电磁场主要由导体的位置,距离和屏蔽体的内径决定。当双导 体距离变小,它们的电磁场相互作用增强,其邻近效应的损耗相应增大;当双导 体距离增大,则它们与屏蔽体的互相作用增强,从而使屏蔽体的损耗增大。 因此,我们在求屏蔽双导体回路的内阻抗时,不但要增加考虑屏蔽内损耗电 阻足,而且要考虑由屏蔽体对邻近效应的削弱作用而产生的系数?。因此屏蔽双 体模型的有效电阻可表示为: 。?巡? 蜀 弓 一日鲰卫 砌面荷? ?的推导 导体对在屏蔽体内任意排列的情况如图.所示。若忽略邻近效应,则 在双导体回路的导体和导体中的电场满足下列方程: 等弓等叫易 图.导体对在屏蔽体内任意排列的情况 在导体表面的电场和磁场分别为:第四章四同轴连接器特性阻抗的计算 ‖?。砜 锄九 ~砜 。 、? 鲰 髟 ,????????????????【 在介质中,电场满足夕万栏: . 一土: 宅 此方程的解为对数函数: 易 而磁场强度 五, 以击%志 将户%代入式、,并利用边界条件,与?式进行比较,消 去、,得到导体中的电流在介质空间点形成的电场: 五, 耻寺卜鲁丽而知 导体的对应电场为: 件, 耻一去卜鲁丽而 所以,、在空间点形成的合成主电场为: 四 喝喁去脚七 在图.中,由几何和级数知识可得: 《一嘲缈一仍 缈仍 【岛,.霹一 在?。,?以的条件下,将和风展开成级数:电子科技大学硕士学 位论文 一 倒 行 一 缈 . 一 一 ? 船 缈 仍 岛 盔一吐一 一万一以 。?脚。?槲 将.代入?可得: 力 一趔喜去% 式中:口。卵仍;每,忍吖;呼。 在同一点处由屏蔽体产生的二次场应满足: . 等署专等。 其解为: .”万伊色,.”咒妒 在屏蔽体介质空间中的总电场应为主电场与二次场之和,即 屹巨巨 :.,而’儿,三. .%成善,.”,伊‘?’ 在屏蔽体材料内电场满足: . “ 等? ?吾芦’’了?石孑 百邓;易 其解为: