現(xiàn)代時(shí)域測(cè)量第七章b

1、第七章 時(shí)域自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)的應(yīng)用o 引言引言o 脈沖波形時(shí)間參數(shù)和頻譜幅度測(cè)量脈沖波形時(shí)間參數(shù)和頻譜幅度測(cè)量o 時(shí)域反射測(cè)量時(shí)域反射測(cè)量o 時(shí)域傳輸測(cè)量時(shí)域傳輸測(cè)量o 實(shí)際應(yīng)用舉例實(shí)際應(yīng)用舉例引言o 用時(shí)域法測(cè)量比頻域法測(cè)量具有獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)用時(shí)域法測(cè)量比頻域法測(cè)量具有獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)n 價(jià)格低、簡(jiǎn)單、直觀、速度快價(jià)格低、簡(jiǎn)單、直觀、速度快n 適于寬帶微波測(cè)量適于寬帶微波測(cè)量n 可以通過改變時(shí)間窗位置，消除轉(zhuǎn)接頭不匹可以通過改變時(shí)間窗位置，消除轉(zhuǎn)接頭不匹配引起的反射配引起的反射o 用時(shí)域法測(cè)量是可行的用時(shí)域法測(cè)量是可行的o Nicholson 1968年o 3.03.2GHz帶通濾波器幅相傳輸特性o 0.

2、2dB， 1.2o 美國(guó)NBSo 10dB衰減器衰減量o 0.518GHzo 0.5GHz時(shí)，0.5o 11.5GHz時(shí)，1.63o 美國(guó)NBSo 100失配負(fù)載的S11o 0.28GHzo 最大偏差在4.6GHz，4.1o 距離偏差1o 窄帶測(cè)量o 傳輸型諧振波長(zhǎng)器|S12|測(cè)量o 偏差在5以內(nèi)時(shí)域自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域o 信號(hào)測(cè)量：對(duì)信號(hào)的時(shí)間波形與頻譜及其參量進(jìn)行測(cè)量，信號(hào)測(cè)量：對(duì)信號(hào)的時(shí)間波形與頻譜及其參量進(jìn)行測(cè)量，特別是對(duì)脈沖類信號(hào)的時(shí)間參數(shù)及其頻譜的高精度測(cè)特別是對(duì)脈沖類信號(hào)的時(shí)間參數(shù)及其頻譜的高精度測(cè)量量自動(dòng)脈沖測(cè)試系統(tǒng)自動(dòng)脈沖測(cè)試系統(tǒng)(APMS)(APMS)APMS取樣頭取樣頭

3、信號(hào)源信號(hào)源50時(shí)域自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域o 網(wǎng)絡(luò)測(cè)量：范圍廣泛，反射系數(shù)、電壓駐波比、網(wǎng)絡(luò)測(cè)量：范圍廣泛，反射系數(shù)、電壓駐波比、插入衰減等，特別是散射系數(shù)（插入衰減等，特別是散射系數(shù)（s s參數(shù)）的測(cè)參數(shù)）的測(cè)量量時(shí)域自動(dòng)網(wǎng)絡(luò)分析儀時(shí)域自動(dòng)網(wǎng)絡(luò)分析儀(TDANA)(TDANA)APMS取樣頭取樣頭脈沖信號(hào)脈沖信號(hào)發(fā)生器發(fā)生器50被測(cè)被測(cè)網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)絡(luò)觸發(fā)5050測(cè)測(cè)S S2121時(shí)域自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域o 傳輸系統(tǒng)或網(wǎng)絡(luò)特性測(cè)量：傳輸系統(tǒng)或網(wǎng)絡(luò)特性測(cè)量：時(shí)域反射計(jì)時(shí)域反射計(jì)（TDRTDR）用沖激或階躍作激勵(lì)，觀測(cè)反射波用沖激或階躍作激勵(lì)，觀測(cè)反射波的幅度和極性的幅度和極性不連續(xù)點(diǎn)的阻抗特性、數(shù)值

4、不連續(xù)點(diǎn)的阻抗特性、數(shù)值及位置及位置脈沖波形時(shí)間參數(shù)和頻譜幅度測(cè)量o 脈沖波形時(shí)間參數(shù)測(cè)量脈沖波形時(shí)間參數(shù)測(cè)量n 對(duì)波形時(shí)間參數(shù)計(jì)算，主要取決于脈沖的頂量值對(duì)波形時(shí)間參數(shù)計(jì)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(hào)源信號(hào)源50脈沖波形時(shí)間參數(shù)和頻譜幅度測(cè)量o 脈沖頻譜幅度測(cè)量脈沖頻譜幅度測(cè)量n 頻域法：用窄帶濾波器濾波后，測(cè)信號(hào)的幅度頻域法：用窄帶濾波器濾波后，測(cè)信號(hào)的幅度頻譜分析儀，頻譜分析儀，n 時(shí)域法：用時(shí)域法：用FFTFFT，計(jì)算，計(jì)算o 頻帶寬：頻帶寬：0 018GHz18GHzo 速度快速度快o 一次測(cè)量可提供成百上千個(gè)數(shù)據(jù)一次測(cè)量可

5、提供成百上千個(gè)數(shù)據(jù)o 數(shù)據(jù)點(diǎn)有限數(shù)據(jù)點(diǎn)有限o 要扣除附加元件的影響要扣除附加元件的影響時(shí)域反射測(cè)量o 雷達(dá)和聲納是靠反射電磁波和聲波，可在三雷達(dá)和聲納是靠反射電磁波和聲波，可在三維空間探測(cè)目標(biāo)，時(shí)域反射計(jì)技術(shù)（維空間探測(cè)目標(biāo)，時(shí)域反射計(jì)技術(shù)（TDRTDR）也）也是靠反射信號(hào)，其原理與雷達(dá)、聲納類似，是靠反射信號(hào)，其原理與雷達(dá)、聲納類似，區(qū)別是區(qū)別是TDRTDR測(cè)量在傳輸線的一定距離上引起的測(cè)量在傳輸線的一定距離上引起的反射信號(hào)，因而它是一維的。反射信號(hào)，因而它是一維的。o 通過測(cè)量反射點(diǎn)至觀測(cè)點(diǎn)的往返路徑的傳輸通過測(cè)量反射點(diǎn)至觀測(cè)點(diǎn)的往返路徑的傳輸時(shí)間可以測(cè)出距離時(shí)間可以測(cè)出距離o 通過觀察入

6、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續(xù)的性質(zhì)和數(shù)值確定傳輸線阻抗不連續(xù)的性質(zhì)和數(shù)值時(shí)域反射測(cè)量原理Z0RLRg=Z0至示波器信號(hào)源通過式取樣頭標(biāo)準(zhǔn)傳輸線被測(cè)負(fù)載l典型TDR連接方式時(shí)域反射測(cè)量原理o 傳輸線是由兩根非?？拷膶?dǎo)體（同軸的或平行的）傳輸線是由兩根非?？拷膶?dǎo)體（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(dāng)在均組成，它們之間存在著分布的電感和電容。當(dāng)在均勻傳輸線的終端連接的負(fù)載阻抗等于傳輸線特性阻勻傳輸線的終端連接的負(fù)載阻抗等于傳輸線特性阻抗時(shí)，便不會(huì)產(chǎn)生反射，稱為抗時(shí)，便不會(huì)產(chǎn)生反射，稱為匹配匹配。當(dāng)負(fù)載阻抗不。當(dāng)負(fù)載阻

7、抗不等于傳輸線特性阻抗時(shí)，便有一部分能量反射回去等于傳輸線特性阻抗時(shí)，便有一部分能量反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(huì)使傳輸線特性阻抗改變，產(chǎn)生阻抗不連續(xù)點(diǎn)，從會(huì)使傳輸線特性阻抗改變，產(chǎn)生阻抗不連續(xù)點(diǎn)，從而形成反射。而形成反射。TDRTDR正是通過這些反射波的時(shí)域大小正是通過這些反射波的時(shí)域大小和形狀，來(lái)判斷和測(cè)定傳輸線的參數(shù)和性質(zhì)。和形狀，來(lái)判斷和測(cè)定傳輸線的參數(shù)和性質(zhì)。典型電路脈沖信號(hào)源被測(cè)系統(tǒng)取樣示波器l0l1rgrsr1、 r2、 r3r1 r2 r312l1/vrg=0r

8、s=0r1 r2 r32l1/vrg0rs=012l0/vr1 r2 r32l0/vrg0rs 012l1/vrg1rsgrs1實(shí)際大都采用階躍信號(hào)作源，分辨力好，易識(shí)別反射性質(zhì)實(shí)際大都采用階躍信號(hào)作源，分辨力好，易識(shí)別反射性質(zhì)電阻性終端或不連續(xù)性o 反射系數(shù)：反射系數(shù)： =(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(shí)相當(dāng)于短路，充電終電容在電壓躍變瞬時(shí)相當(dāng)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(shí)域反射系統(tǒng)o 寬帶寬帶TDRTDRn無(wú)色散系統(tǒng)中，采用單位沖激函數(shù)或單位階躍函數(shù)。要求脈

9、沖寬無(wú)色散系統(tǒng)中，采用單位沖激函數(shù)或單位階躍函數(shù)。要求脈沖寬度或上升時(shí)間度或上升時(shí)間t tr r0.35/f0.35/f3dB3dB，如，如f f3dB3dB=18GHz=18GHz時(shí)，時(shí)， t tr r20ps20ps。因?yàn)榭?。因?yàn)榭捎妙l譜較寬，稱為寬帶用頻譜較寬，稱為寬帶TDRTDRo 窄帶窄帶TDRTDRn對(duì)單導(dǎo)體波導(dǎo)或帶有帶通濾波器的系統(tǒng)，不能直接以基帶脈沖作對(duì)單導(dǎo)體波導(dǎo)或帶有帶通濾波器的系統(tǒng)，不能直接以基帶脈沖作為測(cè)試信號(hào)。用開關(guān)調(diào)制，微波信號(hào)源中心頻率、波形、寬度等為測(cè)試信號(hào)。用開關(guān)調(diào)制，微波信號(hào)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(luò)上升、下降

10、時(shí)間慢，且因波導(dǎo)的色散而差別：脈沖包絡(luò)上升、下降時(shí)間慢，且因波導(dǎo)的色散而進(jìn)一步失真進(jìn)一步失真降低窄帶降低窄帶TDRTDR的距離分辨力（一般為的距離分辨力（一般為dmdm量級(jí)）量級(jí)）n由于難以識(shí)別微波相位由于難以識(shí)別微波相位只能判別各目標(biāo)反射系數(shù)大小，不能只能判別各目標(biāo)反射系數(shù)大小，不能區(qū)別其性質(zhì)（即電阻性或電容性、電感性）區(qū)別其性質(zhì)（即電阻性或電容性、電感性）光時(shí)域反射計(jì)o 隨著光纖通訊技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了光時(shí)域反射計(jì)隨著光纖通訊技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了光時(shí)域反射計(jì)（OTDROTDR），它是測(cè)試光纖長(zhǎng)度、測(cè)量光纖損耗分），它是測(cè)試光纖長(zhǎng)度、測(cè)量光纖損耗分布和查找故障位置的重要測(cè)試設(shè)備。它的基本原布和查

11、找故障位置的重要測(cè)試設(shè)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(lì)源，相似，不同的是用激光脈沖作為激勵(lì)源，然后用示波器來(lái)觀察光纖中的各種反射。然后用示波器來(lái)觀察光纖中的各種反射。光時(shí)域反射計(jì)驅(qū)動(dòng)YGE-APD光纖定向耦合器被測(cè)光纖匹配液激光源時(shí)基掃描取樣積分示波器放大器X長(zhǎng)波長(zhǎng)長(zhǎng)波長(zhǎng)OTDR框圖框圖光時(shí)域反射計(jì)o 激光源由驅(qū)動(dòng)器產(chǎn)生的矩形電流脈沖驅(qū)動(dòng)，其分激光源由驅(qū)動(dòng)器產(chǎn)生的矩形電流脈沖驅(qū)動(dòng)，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(gè)端分型光纖定向耦合器，其中三個(gè)端分別接發(fā)射、接收和被測(cè)光纖，第四端浸入匹配液別接發(fā)射、接收和被測(cè)光纖，第四端浸入匹配液以消除強(qiáng)

12、反射。采用這一方式，由于插入損耗小，以消除強(qiáng)反射。采用這一方式，由于插入損耗小，互隔離度高，因此發(fā)射與接收之間無(wú)串?dāng)_，從而互隔離度高，因此發(fā)射與接收之間無(wú)串?dāng)_，從而避免了測(cè)試盲區(qū)。儀器中的接收端采用鍺雪崩光避免了測(cè)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(cè)器，使用有足夠）作為探測(cè)器，使用有足夠動(dòng)態(tài)范圍的放大器對(duì)信號(hào)進(jìn)一步放大，取樣積分動(dòng)態(tài)范圍的放大器對(duì)信號(hào)進(jìn)一步放大，取樣積分器利用相關(guān)原理從噪聲中濾出后向散射信號(hào)，輸器利用相關(guān)原理從噪聲中濾出后向散射信號(hào)，輸出接至示波器。出接至示波器。時(shí)域傳輸測(cè)量o 基本電路UUT通過式采樣頭源終端負(fù)載l1l2l3td

13、1td2td3tdT1r1r2r3T1r1r2r3td1+ td2+ td2 td22 td32 td1無(wú)法隔離接頭反射無(wú)法隔離接頭反射有效時(shí)間窗有效時(shí)間窗傳輸參數(shù)S21測(cè)量原理被測(cè)網(wǎng)絡(luò)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(shù)S21測(cè)量原理21( )()( )dtdiF VtSjF VtR0R0l1l2T(s)取樣器Vdi(s)Vg (s)Zg(s)Zs(s)被測(cè)網(wǎng)絡(luò)R0R0l1l2T(s)取樣器Vdt(s) Vg (s)Zg(s)Zs(s)傳輸參數(shù)S11測(cè)量原理11( )

14、()( )drdiF VtSjFVtR0l1取樣器Vg Zg被測(cè)網(wǎng)絡(luò)R0實(shí)際應(yīng)用舉例o 同軸與波導(dǎo)元件測(cè)量同軸與波導(dǎo)元件測(cè)量n 寬帶同軸衰減器寬帶同軸衰減器n 波導(dǎo)波導(dǎo)n 晶體檢波器晶體檢波器o 傳輸線測(cè)量傳輸線測(cè)量o 材料測(cè)量材料測(cè)量o 脈沖電磁場(chǎng)與天線的測(cè)量脈沖電磁場(chǎng)與天線的測(cè)量o 光導(dǎo)開關(guān)測(cè)量光導(dǎo)開關(guān)測(cè)量同軸與波導(dǎo)元件測(cè)量o 寬帶同軸衰減器寬帶同軸衰減器脈沖信號(hào)源步進(jìn)衰減器被測(cè)網(wǎng)絡(luò)取樣頭APMS延遲線觸發(fā)插入損耗測(cè)量框圖插入損耗測(cè)量框圖同軸與波導(dǎo)元件測(cè)量o 波導(dǎo)波導(dǎo)n 延遲線為波導(dǎo)延遲線延遲線為波導(dǎo)延遲線n 與儀器通過同軸至波導(dǎo)適配器轉(zhuǎn)換與儀器通過同軸至波導(dǎo)適配器轉(zhuǎn)換傳輸線測(cè)量KSmRS

15、LGSC單位長(zhǎng)度單位長(zhǎng)度電纜模型單位長(zhǎng)度電纜模型 傳輸線測(cè)量)(22)(2000012)(1)()(4)()()(slslesesZRsZRsEsEsH10, )/()()(20mSCGKSSLRsZm10, )()(mSCGKSSLRsm)()()(0000sZRsZRs在拉氏域中，電纜傳遞函數(shù)模型為在拉氏域中，電纜傳遞函數(shù)模型為式中：式中： l為電纜長(zhǎng)度，為電纜長(zhǎng)度，K是與損耗有關(guān)的常數(shù)，來(lái)源于以物理過是與損耗有關(guān)的常數(shù)，來(lái)源于以物理過程為基礎(chǔ)的高頻損耗模型，其損耗是頻率的函數(shù)。如果已程為基礎(chǔ)的高頻損耗模型，其損耗是頻率的函數(shù)。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(shù)。，則可得到頻域電纜傳遞函數(shù)。傳輸線測(cè)量 E1(s)(a)參考電壓模型E2(s)lEg(s)Z0(s)r(s)(b)響應(yīng)電壓模型信號(hào)源內(nèi)阻R0信號(hào)源內(nèi)阻R0匹配負(fù)載RL匹配負(fù)載RLEg(s)電纜傳遞函數(shù)測(cè)量模型電纜傳遞函數(shù)測(cè)量模型測(cè)量步驟： )(1te)(2te)()()()()(1212teFFTteFFTjEjEjHR R、l、L L、C C、G G可分別測(cè)量得到，或由廠家提供?？煞謩e測(cè)量得到，或由廠家