現代時域測量第七章b

1、第七章 時域自動測試系統(tǒng)的應用o引言引言o脈沖波形時間參數和頻譜幅度測量脈沖波形時間參數和頻譜幅度測量o時域反射測量時域反射測量o時域傳輸測量時域傳輸測量o實際應用舉例實際應用舉例引言o用時域法測量比頻域法測量具有獨特的優(yōu)點用時域法測量比頻域法測量具有獨特的優(yōu)點n價格低、簡單、直觀、速度快價格低、簡單、直觀、速度快n適于寬帶微波測量適于寬帶微波測量n可以通過改變時間窗位置，消除轉接頭不匹可以通過改變時間窗位置，消除轉接頭不匹配引起的反射配引起的反射o用時域法測量是可行的用時域法測量是可行的oNicholson 1968年o3.03.2GHz帶通濾波器幅相傳輸特性o0.2dB， 1.2o美國NB

2、So10dB衰減器衰減量o0.518GHzo0.5GHz時，0.5o11.5GHz時，1.63o美國NBSo100失配負載的S11o0.28GHzo最大偏差在4.6GHz，4.1o距離偏差1o窄帶測量o傳輸型諧振波長器|S12|測量o偏差在5以內時域自動測試系統(tǒng)的應用領域o信號測量：對信號的時間波形與頻譜及其參量進行測量，信號測量：對信號的時間波形與頻譜及其參量進行測量，特別是對脈沖類信號的時間參數及其頻譜的高精度測特別是對脈沖類信號的時間參數及其頻譜的高精度測量量自動脈沖測試系統(tǒng)自動脈沖測試系統(tǒng)(APMS)(APMS)APMS取樣頭取樣頭信號源信號源50時域自動測試系統(tǒng)的應用領域o網絡測量：

3、范圍廣泛，反射系數、電壓駐波比、網絡測量：范圍廣泛，反射系數、電壓駐波比、插入衰減等，特別是散射系數（插入衰減等，特別是散射系數（s s參數）的測參數）的測量量時域自動網絡分析儀時域自動網絡分析儀(TDANA)(TDANA)APMS取樣頭取樣頭脈沖信號脈沖信號發(fā)生器發(fā)生器50被測被測網絡網絡觸發(fā)5050測測S S2121時域自動測試系統(tǒng)的應用領域o傳輸系統(tǒng)或網絡特性測量：傳輸系統(tǒng)或網絡特性測量：時域反射計時域反射計（TDRTDR）用沖激或階躍作激勵，觀測反射波用沖激或階躍作激勵，觀測反射波的幅度和極性的幅度和極性不連續(xù)點的阻抗特性、數值不連續(xù)點的阻抗特性、數值及位置及位置脈沖波形時間參數和頻譜

4、幅度測量o脈沖波形時間參數測量脈沖波形時間參數測量n對波形時間參數計算，主要取決于脈沖的頂量值對波形時間參數計算，主要取決于脈沖的頂量值與底量值的正確求取。與底量值的正確求取。APMS取樣頭取樣頭信號源信號源50脈沖波形時間參數和頻譜幅度測量o脈沖頻譜幅度測量脈沖頻譜幅度測量n頻域法：用窄帶濾波器濾波后，測信號的幅度頻域法：用窄帶濾波器濾波后，測信號的幅度頻譜分析儀，頻譜分析儀，n時域法：用時域法：用FFTFFT，計算，計算o頻帶寬：頻帶寬：0 018GHz18GHzo速度快速度快o一次測量可提供成百上千個數據一次測量可提供成百上千個數據o數據點有限數據點有限o要扣除附加元件的影響要扣除附加元

5、件的影響時域反射測量o雷達和聲納是靠反射電磁波和聲波，可在三雷達和聲納是靠反射電磁波和聲波，可在三維空間探測目標，時域反射計技術（維空間探測目標，時域反射計技術（TDRTDR）也）也是靠反射信號，其原理與雷達、聲納類似，是靠反射信號，其原理與雷達、聲納類似，區(qū)別是區(qū)別是TDRTDR測量在傳輸線的一定距離上引起的測量在傳輸線的一定距離上引起的反射信號，因而它是一維的。反射信號，因而它是一維的。o通過測量反射點至觀測點的往返路徑的傳輸通過測量反射點至觀測點的往返路徑的傳輸時間可以測出距離時間可以測出距離o通過觀察入射波和反射波的形狀和幅度可以通過觀察入射波和反射波的形狀和幅度可以確定傳輸線阻抗不連

6、續(xù)的性質和數值確定傳輸線阻抗不連續(xù)的性質和數值時域反射測量原理Z0RLRg=Z0至示波器信號源通過式取樣頭標準傳輸線被測負載l典型TDR連接方式時域反射測量原理o傳輸線是由兩根非?？拷膶w（同軸的或平行的）傳輸線是由兩根非?？拷膶w（同軸的或平行的）組成，它們之間存在著分布的電感和電容。當在均組成，它們之間存在著分布的電感和電容。當在均勻傳輸線的終端連接的負載阻抗等于傳輸線特性阻勻傳輸線的終端連接的負載阻抗等于傳輸線特性阻抗時，便不會產生反射，稱為抗時，便不會產生反射，稱為匹配匹配。當負載阻抗不。當負載阻抗不等于傳輸線特性阻抗時，便有一部分能量反射回去等于傳輸線特性阻抗時，便有一部分能量反

7、射回去而形成反射波，稱為而形成反射波，稱為失配失配。o改變傳輸線的尺寸、比例、線徑、線間間隔等，都改變傳輸線的尺寸、比例、線徑、線間間隔等，都會使傳輸線特性阻抗改變，產生阻抗不連續(xù)點，從會使傳輸線特性阻抗改變，產生阻抗不連續(xù)點，從而形成反射。而形成反射。TDRTDR正是通過這些反射波的時域大小正是通過這些反射波的時域大小和形狀，來判斷和測定傳輸線的參數和性質。和形狀，來判斷和測定傳輸線的參數和性質。典型電路脈沖信號源被測系統(tǒng)取樣示波器l0l1rgrsr1、 r2、 r3r1 r2 r312l1/vrg=0rs=0r1 r2 r32l1/vrg0rs=012l0/vr1 r2 r32l0/vrg

8、0rs 012l1/vrg1rsgrs1實際大都采用階躍信號作源，分辨力好，易識別反射性質實際大都采用階躍信號作源，分辨力好，易識別反射性質電阻性終端或不連續(xù)性o反射系數：反射系數： =(R-Z0)/ (R+Z0)Z0Z0lRS1234R=1RZ0=+R=Z0=0RZ0=-R0=-1電抗性終端或不連續(xù)性o電容在電壓躍變瞬時相當于短路，充電終電容在電壓躍變瞬時相當于短路，充電終了等于開路了等于開路o電感相反電感相反時域反射系統(tǒng)o寬帶寬帶TDRTDRn無色散系統(tǒng)中，采用單位沖激函數或單位階躍函數。要求脈沖寬無色散系統(tǒng)中，采用單位沖激函數或單位階躍函數。要求脈沖寬度或上升時間度或上升時間t tr r

9、0.35/f0.35/f3dB3dB，如，如f f3dB3dB=18GHz=18GHz時，時， t tr r20ps20ps。因為可。因為可用頻譜較寬，稱為寬帶用頻譜較寬，稱為寬帶TDRTDRo窄帶窄帶TDRTDRn對單導體波導或帶有帶通濾波器的系統(tǒng)，不能直接以基帶脈沖作對單導體波導或帶有帶通濾波器的系統(tǒng)，不能直接以基帶脈沖作為測試信號。用開關調制，微波信號源中心頻率、波形、寬度等為測試信號。用開關調制，微波信號源中心頻率、波形、寬度等可控?？煽?。n與寬帶與寬帶TDRTDR差別：脈沖包絡上升、下降時間慢，且因波導的色散而差別：脈沖包絡上升、下降時間慢，且因波導的色散而進一步失真進一步失真降低窄

10、帶降低窄帶TDRTDR的距離分辨力（一般為的距離分辨力（一般為dmdm量級）量級）n由于難以識別微波相位由于難以識別微波相位只能判別各目標反射系數大小，不能只能判別各目標反射系數大小，不能區(qū)別其性質（即電阻性或電容性、電感性）區(qū)別其性質（即電阻性或電容性、電感性）光時域反射計o隨著光纖通訊技術的發(fā)展，出現了光時域反射計隨著光纖通訊技術的發(fā)展，出現了光時域反射計（OTDROTDR），它是測試光纖長度、測量光纖損耗分），它是測試光纖長度、測量光纖損耗分布和查找故障位置的重要測試設備。它的基本原布和查找故障位置的重要測試設備。它的基本原理和理和TDRTDR相似，不同的是用激光脈沖作為激勵源，相似，不

11、同的是用激光脈沖作為激勵源，然后用示波器來觀察光纖中的各種反射。然后用示波器來觀察光纖中的各種反射。光時域反射計驅動YGE-APD光纖定向耦合器被測光纖匹配液激光源時基掃描取樣積分示波器放大器X長波長長波長OTDR框圖框圖光時域反射計o激光源由驅動器產生的矩形電流脈沖驅動，其分激光源由驅動器產生的矩形電流脈沖驅動，其分光系統(tǒng)采用光系統(tǒng)采用x x型光纖定向耦合器，其中三個端分型光纖定向耦合器，其中三個端分別接發(fā)射、接收和被測光纖，第四端浸入匹配液別接發(fā)射、接收和被測光纖，第四端浸入匹配液以消除強反射。采用這一方式，由于插入損耗小，以消除強反射。采用這一方式，由于插入損耗小，互隔離度高，因此發(fā)射與

12、接收之間無串擾，從而互隔離度高，因此發(fā)射與接收之間無串擾，從而避免了測試盲區(qū)。儀器中的接收端采用鍺雪崩光避免了測試盲區(qū)。儀器中的接收端采用鍺雪崩光電二極管（電二極管（GEGEAPDAPD）作為探測器，使用有足夠）作為探測器，使用有足夠動態(tài)范圍的放大器對信號進一步放大，取樣積分動態(tài)范圍的放大器對信號進一步放大，取樣積分器利用相關原理從噪聲中濾出后向散射信號，輸器利用相關原理從噪聲中濾出后向散射信號，輸出接至示波器。出接至示波器。時域傳輸測量o基本電路UUT通過式采樣頭源終端負載l1l2l3td1td2td3tdT1r1r2r3T1r1r2r3td1+ td2+ td2 td22 td32 td1

13、無法隔離接頭反射無法隔離接頭反射有效時間窗有效時間窗傳輸參數S21測量原理被測網絡R0R0l1l2T(s)取樣器Vdt(s) Vg (s)Zg(s)Zs(s)Zg(s) R0，反射反射2l1/vpZs(s) R0， 反射反射2l2/vp傳輸參數S21測量原理21( )()( )dtdiF VtSjF VtR0R0l1l2T(s)取樣器Vdi(s)Vg (s)Zg(s)Zs(s)被測網絡R0R0l1l2T(s)取樣器Vdt(s) Vg (s)Zg(s)Zs(s)傳輸參數S11測量原理11( )()( )drdiF VtSjFVtR0l1取樣器Vg Zg被測網絡R0實際應用舉例o同軸與波導元件測量

14、同軸與波導元件測量n寬帶同軸衰減器寬帶同軸衰減器n波導波導n晶體檢波器晶體檢波器o傳輸線測量傳輸線測量o材料測量材料測量o脈沖電磁場與天線的測量脈沖電磁場與天線的測量o光導開關測量光導開關測量同軸與波導元件測量o寬帶同軸衰減器寬帶同軸衰減器脈沖信號源步進衰減器被測網絡取樣頭APMS延遲線觸發(fā)插入損耗測量框圖插入損耗測量框圖同軸與波導元件測量o波導波導n延遲線為波導延遲線延遲線為波導延遲線n與儀器通過同軸至波導適配器轉換與儀器通過同軸至波導適配器轉換傳輸線測量KSmRSLGSC單位長度單位長度電纜模型單位長度電纜模型 傳輸線測量)(22)(2000012)(1)()(4)()()(slslese

15、sZRsZRsEsEsH10, )/()()(20mSCGKSSLRsZm10, )()(mSCGKSSLRsm)()()(0000sZRsZRs在拉氏域中，電纜傳遞函數模型為在拉氏域中，電纜傳遞函數模型為式中：式中： l為電纜長度，為電纜長度，K是與損耗有關的常數，來源于以物理過是與損耗有關的常數，來源于以物理過程為基礎的高頻損耗模型，其損耗是頻率的函數。如果已程為基礎的高頻損耗模型，其損耗是頻率的函數。如果已知知l、R、L、C、G、K和和m，則可得到頻域電纜傳遞函數。，則可得到頻域電纜傳遞函數。傳輸線測量 E1(s)(a)參考電壓模型E2(s)lEg(s)Z0(s)r(s)(b)響應電壓模型信號源內阻R0信號源內阻R0匹配負載RL匹配負載RLEg(s)電纜傳遞函數測量模型電纜傳遞函數測量模型測量步驟： )(1te)(2te)()()()()(1212teFFTteFFTjEjEjH R R、l、L L、C C、G G可分別測量得到，或由廠家提供?？煞謩e測量得到，或由廠家提供。 照圖