專利名稱：一種傳輸線特性阻抗的測試方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于高頻電子通信線路領(lǐng)域，涉及一種傳輸線特性阻抗測試方法，特別是指一種通過測量傳輸線的S參數(shù)得到傳輸線的特性阻抗的實(shí)現(xiàn)方法。
背景技術(shù)：
高頻電路必須考慮信號(hào)傳輸?shù)钠ヅ鋯栴}。頻率高到一定程度的電波具有光傳播的波動(dòng)性，在傳輸?shù)倪^程中會(huì)存在象光傳播一樣的反射、折射。信號(hào)傳輸?shù)姆瓷洹⒄凵鋵?duì)電子線路的工作影響非常大，在通信電子線路中會(huì)導(dǎo)致信號(hào)的失真，產(chǎn)生雜散、諧波，降低通信接收靈敏度，甚至破壞器件的正常工作。
電波傳輸?shù)姆瓷渑c折射是由于傳輸線的不連續(xù)性造成的，即傳輸線特性阻抗與負(fù)載阻抗不匹配造成的，因此傳輸線與負(fù)載的匹配在高頻電子電路設(shè)計(jì)中非常重要。傳輸線的特性阻抗是描述傳輸線傳播電波的特性參數(shù)，在印刷電路板(PCB)加工過程中，制作的傳輸線特性阻抗是否滿足設(shè)計(jì)要求，需要經(jīng)過測試與驗(yàn)證。
目前，傳輸線特性阻抗的測試通常采用時(shí)域反射(TDR)的方法來進(jìn)行測量，該方法是通過示波器發(fā)射一個(gè)方波或階躍激勵(lì)，測量傳輸線的反射參數(shù)。由于這種方法采用時(shí)域測量法，因此通常在頻率較低如1GHz以下，信號(hào)傳輸線無損耗的情況下適用，在頻率較高的情況下，測量誤差較大，并且無法測量傳輸線的損耗特性，即只能測量傳輸線特性阻抗的實(shí)部，無法測量傳輸線特性阻抗的虛部。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種傳輸線特性阻抗的測試方法，以提高傳輸線特性阻抗測量的準(zhǔn)確度，測量傳輸線實(shí)部阻抗和虛部阻抗。
一種傳輸線特性阻抗的測量方法，將傳輸線等效為雙端網(wǎng)絡(luò)，將傳輸線的起點(diǎn)和終端分別連接網(wǎng)絡(luò)分析儀的前向端口和反向端口，測量傳輸線的S參數(shù)，根據(jù)傳輸線理論和測得的S參數(shù)求解傳輸線特性阻抗。所述求解傳輸線特性阻抗按照式S11＝j(luò)(Z/Z0-Z0/Z)Sinθ/[2Cosθ+j(Z/Z0+Z0/Z)Sinθ]和S21＝2Z*Z0/[2Z*Z0*Cosθ+j(Z*Z+Z0*Z0)Sinθ]求解，其中，Z0為測試系統(tǒng)傳輸線特性阻抗，為50歐，θ為傳輸線電長度。
上述傳輸線結(jié)構(gòu)為表面微帶線、或者覆蓋阻焊微帶線、或者嵌入微帶線、或者等距帶狀線、或者不等距帶狀線、或者耦合微帶線、或者共面波導(dǎo)。
上述方法進(jìn)一步包括，在電路板外側(cè)增加工藝邊，在工藝邊上制作與實(shí)際使用的傳輸線結(jié)構(gòu)相同、一定長度的待測傳輸線。
所述工藝邊上制作的待測傳輸線與電路板中孔的垂直距離大于電波在空氣中傳播波長的十分之一，工藝邊上制作的待測傳輸線長度大于電波在空氣中傳播波長的四分之三波長，在待測傳輸線的起點(diǎn)和終端預(yù)留測試接口，并且待測傳輸線為直線走線或45度角走線。
本發(fā)明提供的傳輸線測量方法，將實(shí)際測量與理論算法相結(jié)合，實(shí)際測量通過網(wǎng)絡(luò)分析儀直接測量電路板上的S參數(shù)，或測量工藝邊上的待測傳輸線的S參數(shù)，進(jìn)行單端測量，或進(jìn)行雙端測量，運(yùn)用相應(yīng)的計(jì)算獲得傳輸線特性阻抗，從而得到傳輸線的傳輸特性與損耗特性。由于本發(fā)明是一種頻域測量方法，因此可獲得傳輸線特性阻抗的實(shí)部阻抗和虛部阻抗，相對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)時(shí)域測量方法而言，測量的準(zhǔn)確度高。本發(fā)明不僅適合于PCB中的射頻信號(hào)傳輸線，也適合于同軸電纜等傳輸線。


圖1為本發(fā)明對(duì)傳輸線進(jìn)行單端測量的原理圖，圖2為本發(fā)明對(duì)傳輸線進(jìn)行單端測量以獲得傳輸線特性阻抗的示意圖，圖3為實(shí)施例1計(jì)算傳輸線特性阻抗流程圖，圖4為本發(fā)明對(duì)傳輸線進(jìn)行雙端測量的原理圖，圖5為本發(fā)明對(duì)傳輸線進(jìn)行雙端測量以獲得傳輸線特性阻抗的示意圖，圖6為實(shí)施例2計(jì)算傳輸線特性阻抗流程圖，圖7a～7g為傳輸線橫截面結(jié)構(gòu)圖，圖8為傳輸線與孔的位置關(guān)系示意圖，圖9為傳輸線走線示意圖。
具體實(shí)施例方式
由于信號(hào)波長與傳輸線長度相比擬或更短時(shí)，傳輸線上的電壓、電流不僅是時(shí)間函數(shù)，而且還是位置函數(shù)，必須考慮分布參數(shù)的效應(yīng)，傳輸線特性阻抗是傳輸線分布參數(shù)的一個(gè)表現(xiàn)形式。它的物理意義為傳輸線上入射波電壓與入射波電流之比，或反射波電壓與反射電流之比。
當(dāng)傳輸線特性阻抗與負(fù)載不同時(shí)，會(huì)產(chǎn)生信號(hào)的反射，因此通信系統(tǒng)定義了統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，在所有傳輸線均采用50歐標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，就不會(huì)產(chǎn)生反射或反射在允許范圍內(nèi)。
本發(fā)明將傳輸線相關(guān)參數(shù)測量與傳輸線理論緊密結(jié)合，傳輸線相關(guān)參數(shù)測量包括傳輸線輸入阻抗測量，傳輸線S參數(shù)測量。傳輸線理論提供傳輸線特性阻抗的計(jì)算的核心算法，以下結(jié)合實(shí)施例和附圖詳細(xì)說明。
實(shí)施例1參見圖1和圖2所示，圖1為本發(fā)明對(duì)傳輸線進(jìn)行單端測量的原理圖，圖2為本發(fā)明對(duì)傳輸線進(jìn)行單端測量以獲得傳輸線特性阻抗的示意圖。首先用網(wǎng)絡(luò)分析儀對(duì)前向端口進(jìn)行單端校準(zhǔn)，然后在傳輸線終端連接50歐匹配負(fù)載，測量輸入阻抗Zin，電壓駐波比VSWR。如果測量的結(jié)果電壓駐波比VSWR小于1.9，表明傳輸線的特性阻抗指標(biāo)達(dá)到要求。根據(jù)傳輸線理論已知圖1中參考面的輸入阻抗Zin表達(dá)式如下Zin＝Z*(ZL+j*Z*tgβL)/(Z+j*ZL*tgβL)--------式1其中ZL為終端負(fù)載，按標(biāo)準(zhǔn)為50歐，在廣播電視系統(tǒng)中為75歐姆，Z為傳輸線特性阻抗，L為傳輸線長度，β為相移常數(shù)，β＝2π/λg，λg為電波在傳輸線上的傳輸波長，該參數(shù)與傳輸線結(jié)構(gòu)相關(guān)，根據(jù)PCB的層壓介電常數(shù)，層壓高度，線寬等傳輸線結(jié)構(gòu)參數(shù)，應(yīng)用相關(guān)軟件可以計(jì)算得出。
從上述公式1中，Zin為測量結(jié)果，傳輸線長度L可以測量，β可以計(jì)算，未知參數(shù)僅包含Z，從而可求出Z。
上述求解Z可通過傳輸線特性阻抗軟件實(shí)現(xiàn)，其軟件流程圖如圖3所示。首先輸入測量的輸入阻抗Zin以及傳輸線長度，根據(jù)傳輸線結(jié)構(gòu)及其相關(guān)參數(shù)，計(jì)算相移常數(shù)β，然后計(jì)算出傳輸線特性阻抗，并判斷傳輸線特性阻抗是否滿足要求。
實(shí)施例2參見圖4和圖5所示，圖4為本發(fā)明對(duì)傳輸線進(jìn)行雙端測量的原理圖，圖5為本發(fā)明對(duì)傳輸線進(jìn)行雙端測量以獲得傳輸線特性阻抗的示意圖。先用網(wǎng)絡(luò)分析儀對(duì)前向端口即端口1和反向端口即端口2分別進(jìn)行校準(zhǔn)，然后將傳輸線等效為射頻網(wǎng)絡(luò)，測量網(wǎng)絡(luò)的S參數(shù)，包括S11，S21，S12，S22。其中，S11的物理意義為當(dāng)端口2匹配時(shí)，待測網(wǎng)絡(luò)的端口1反射系數(shù)，此時(shí)端口1激勵(lì)；S21的物理意義為當(dāng)端口1匹配時(shí)，待測網(wǎng)絡(luò)的端口1到端口2的傳輸系數(shù)，此時(shí)端口1激勵(lì)；S22的物理意義為當(dāng)端口1匹配時(shí)，待測網(wǎng)絡(luò)端口2的反射系數(shù)，此時(shí)端口2激勵(lì)；S12物理意義為當(dāng)端口2匹配時(shí)，待測網(wǎng)絡(luò)的端口2到端口1的傳輸系數(shù)，此時(shí)端口2激勵(lì)。由于傳輸線網(wǎng)絡(luò)為對(duì)稱互易網(wǎng)絡(luò)，因此有S11＝S22；S12＝S21。根據(jù)傳輸線理論及A矩陣到S矩陣的轉(zhuǎn)換有S11＝j(luò)(Z/Z0-Z0/Z)Sinθ/[2Cosθ+j(Z/Z0+Z0/Z)Sinθ]-----式2S21＝2Z*Z0/[2Z*Z0*Cosθ+j(Z*Z+Z0*Z0)Sinθ]-------------式3式2，式3中，Z0為測試系統(tǒng)傳輸線特性阻抗，在此為50歐；Z為待測試傳輸線特性阻抗。上兩式中僅存在兩個(gè)未知量傳輸線特性阻抗Z；θ傳輸線電長度；S11，S21為測量結(jié)果，通過式2、式3可以計(jì)算出傳輸線特性阻抗Z，傳輸線電長度θ。上述雙端測量方法不需要傳輸線結(jié)構(gòu)參數(shù)，也不需測量傳輸線長度，即可得出傳輸線特性阻抗。
上述傳輸線特性阻抗Z，傳輸線電長度θ的求解可通過相應(yīng)的軟件進(jìn)行計(jì)算，其流程圖如圖6所示。
上述實(shí)施例1和實(shí)施例2中所述的傳輸線結(jié)構(gòu)可以如圖7a～7g所示，圖7a～7g為傳輸線橫截面結(jié)構(gòu)圖。圖7a～7g分別為表面微帶線、覆蓋阻焊微帶線、嵌入微帶線、等距帶狀線、不等距帶狀線、耦合微帶線和共面波導(dǎo)，圖中陰影部分為信號(hào)線和地線，無陰影的部分為介質(zhì)層。
本發(fā)明提供的測量方法可直接測量PCB板上傳輸線的特性阻抗，也可在PCB板外側(cè)增加工藝邊，在工藝邊上制作與實(shí)際使用的傳輸線相同結(jié)構(gòu)的傳輸線。為保證工藝邊上制作的傳輸線能真實(shí)地反映實(shí)際使用的傳輸線特性阻抗，工藝邊上制作傳輸線應(yīng)滿足以下條件1.工藝邊上的傳輸線的結(jié)構(gòu)與PCB應(yīng)用中完全相同，工藝邊上的工藝孔、通孔、過孔應(yīng)遠(yuǎn)離傳輸線，如圖8所示，工藝邊上制作的傳輸線與孔應(yīng)有一定距離，工藝邊上制作的傳輸線與孔的垂直距離大于電波在空氣中傳播波長的十分之一，否則將破壞傳輸線的電場分布，無法得到正確測試結(jié)果；2.傳輸線最好為直線，不要彎曲，實(shí)在要變換角度，如圖9所示，設(shè)計(jì)為45度角走線，否則導(dǎo)致傳輸線有較大的發(fā)射，將出現(xiàn)測量誤差；3.由于一定長度的傳輸線才能真實(shí)反映其特性阻抗，傳輸線應(yīng)具有一定長度，傳輸線長度必須大于電波在空氣中傳播波長的3/4波長；4.工藝邊上傳輸線的起點(diǎn)和終端預(yù)留測試接口，如SMA接口、N型接口或Q型接口等等，便于網(wǎng)絡(luò)分析儀的測量。
權(quán)利要求
1.一種傳輸線特性阻抗的測試方法，其特征在于，將傳輸線等效為雙端網(wǎng)絡(luò)，將傳輸線的起點(diǎn)和終端分別連接網(wǎng)絡(luò)分析儀的前向端口和反向端口，測量傳輸線的S參數(shù)，按照式S11＝j(luò)(Z/Z0-Z0/Z)Sinθ/[2Cosθ+j(Z/Z0+Z0/Z)Sinθ]和S21＝2Z*Z0/[2Z*Z0*Cosθ+j(Z*Z+Z0*Z0)Sinθ]求解傳輸線特性阻抗Z以及傳輸線電長度θ，其中，Z0為已知的測試系統(tǒng)傳輸線特性阻抗。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的測試方法，其特征在于，所述測試系統(tǒng)傳輸線特性阻抗Z0為50歐姆。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的測試方法，其特征在于，所述傳輸線結(jié)構(gòu)為表面微帶線、或者覆蓋阻焊微帶線、或者嵌入微帶線、或者等距帶狀線、或者不等距帶狀線、或者耦合微帶線、或者共面波導(dǎo)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的測試方法，其特征在于，該方法進(jìn)一步包括，在電路板外側(cè)增加工藝邊，在工藝邊上制作與實(shí)際使用的傳輸線結(jié)構(gòu)相同的待測傳輸線。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的測試方法，其特征在于，所述工藝邊上制作的待測傳輸線與電路板中孔的垂直距離大于電波在空氣中傳播波長的十分之一，工藝邊上制作的待測傳輸線長度大于電波在空氣中傳播波長的四分之三波長，起點(diǎn)和終端預(yù)留測試接口，并且待測傳輸線為直線走線或45度角走線。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種傳輸線特性阻抗的測量方法，將傳輸線終端連接匹配負(fù)載Z
文檔編號(hào)G01R27/04GK1664594SQ20051005984
公開日2005年9月7日 申請日期2003年2月18日 優(yōu)先權(quán)日2003年2月18日
發(fā)明者單文英, 楊學(xué)賢, 張福良, 楊胤嗣, 楊金妹, 朱灴, 劉琦 申請人:聯(lián)想(北京)有限公司