較精確的長線傳輸阻抗匹配設(shè)計(jì)方法研究

1 引言

　　在現(xiàn)代高速電路設(shè)計(jì)中，傳輸線的阻抗匹配是一項(xiàng)非常重要的工程技術(shù)指標(biāo)，可使所有高頻微波信號皆達(dá)到傳至負(fù)載點(diǎn)的目的，而不會(huì)有信號反射回源點(diǎn)，從而提升能源效益。阻抗是否匹配關(guān)系到信號質(zhì)量的優(yōu)劣，這對提高產(chǎn)品可靠性和通信速度，改善電磁兼容特性具有十分重要的意義。然而，要實(shí)現(xiàn)傳輸線阻抗的嚴(yán)格匹配，一是要解決阻抗計(jì)算精度，減小計(jì)算誤差對阻抗匹配的直接影響；二是要方便高速采樣器及計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)的應(yīng)用，以實(shí)現(xiàn)對阻抗的實(shí)時(shí)分析與處理。為此，針對航空航天、雷達(dá)等需要長線傳輸?shù)淖杩蛊ヅ潆娐?，提出了一種比較精確的阻抗計(jì)算方法。

　　2 問題的提出

　　對于高頻信號來說，如果時(shí)鐘脈沖信號的脈寬足夠長，那么出現(xiàn)在該時(shí)鐘脈沖信號上的反射能量和振鈴能量，將由原來的一個(gè)變成兩個(gè)或者更多，因而導(dǎo)致系統(tǒng)的時(shí)鐘脈沖信號出現(xiàn)異常。此外，反射還會(huì)使邏輯器件的噪聲容限變差。在該系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，由于雷達(dá)輸出信號為1 kΩ阻抗，因而不利于長線傳輸，并產(chǎn)生信號反射現(xiàn)象。反射結(jié)果對模擬的正弦波信號形成駐波，數(shù)字信號則表現(xiàn)為上升沿和下降沿的振鈴和過沖。該過沖不僅會(huì)形成強(qiáng)烈的電磁干擾，也會(huì)損壞用于后級輸入電路的保護(hù)二極管，甚至失效。圖1示出信號過沖波形。一般而言，過沖超過O．7 V就應(yīng)采取相應(yīng)措施，在圖2中，信號源阻抗、負(fù)載阻抗是造成信號反射的主要原因。因此要將阻抗變換為50Ω。以利于長線傳輸。根據(jù)史密夫圖表可知，電容或電感與負(fù)載串聯(lián)，可增加或減少負(fù)載阻抗，且其圖表上的點(diǎn)會(huì)沿著代表實(shí)數(shù)電阻的圓圈走動(dòng)。如果電容或電感接地，則圖表上的點(diǎn)會(huì)以圖中心旋轉(zhuǎn)180°。然后才沿電阻圈走動(dòng)，再沿中心旋轉(zhuǎn)180°。重復(fù)上述方法直至電阻值變?yōu)?，即可直接把阻抗力變?yōu)榱?，這樣就完成匹配。

　　3 系統(tǒng)工作原理

　　系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，首先用變壓器隔離雷達(dá)輸出信號，然后通過分壓跟隨放大，使電容隔離，最后輸出6路頻率碼。圖3和圖4分別給出系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖和具體電路設(shè)計(jì)。

　　4 器件選擇依據(jù)與匹配計(jì)算

　　4．1 變壓器的選擇

　　隔離變壓器選用1：1的變壓器。由于次級不與地相連，因此次級上任一根線與地之間都沒有電位差。隔離變壓器的特點(diǎn)就是初級與次級隔開，使他們之間不產(chǎn)生回路，但1：1的隔離變壓器嚴(yán)禁次級接地。其原理如圖5所示。

　　若次級繞組與初級繞組的匝數(shù)不同，則感應(yīng)電勢E1與E2的大小也不相同。當(dāng)略去內(nèi)阻抗壓降后，電壓U1和U2的大小也不同。當(dāng)變壓器次級空載時(shí)，初級僅流過主磁通的電流In，該電流稱之為激磁電流。當(dāng)次級加負(fù)載，即流過負(fù)載電流I2時(shí)，鐵心中將產(chǎn)生磁通，以力圖改變主磁通，但當(dāng)初級電壓不變時(shí)，主磁通也不變。此時(shí)，初級就要流過兩部分電流，一部分為激磁電流I0，一部分為平衡電流I2，所以這部分電流將隨I2的變化而變化。電流乘以匝數(shù)就是磁勢。其平衡作用實(shí)質(zhì)上是磁勢平衡作用，變壓器就是通過磁勢平衡作用實(shí)現(xiàn)了初次級的能量傳遞。由于變壓器不消耗功率，且產(chǎn)生的噪聲可以忽略不計(jì)，所以信號頻率很高，而且A／D轉(zhuǎn)換器的輸入端不允許有很大的附加噪聲。因此，選擇T1—6T型變壓器來隔離并驅(qū)動(dòng)后級A／D轉(zhuǎn)換器。
　　4．2 A/D轉(zhuǎn)換器的選擇

　　在選用A／D轉(zhuǎn)換器時(shí)，主要考慮其驅(qū)動(dòng)電路性能以及跟隨放大功能。為此，根據(jù)所需供電電壓、帶寬速率及電路簡化原則，初步選用AD8051型A／D轉(zhuǎn)換器。采用電壓反饋電路，要使輸出幅值與輸入幅值不變，可根據(jù)電壓負(fù)反饋：Auf=U0/UI=1+9RF/R，因此通過A／D轉(zhuǎn)換器將其放大2倍，但A138051速率較AD818的速率低，波形也有一定的延遲。圖6示出采用AD8051器件的輸出電壓u1和采用AD818器件的輸出電壓u2的比較。當(dāng)頻率在高頻段不斷升高時(shí)，特性阻抗會(huì)漸近于固定值。根據(jù)戴維南終端匹配輸入阻抗中兩電阻的并聯(lián)值與傳輸線特性阻抗相匹配的原則，應(yīng)在傳輸線的另一端連接與之匹配的電阻，其阻值為傳輸線的特性阻抗值。設(shè)計(jì)中，傳輸線的阻抗為50Ω，這樣在傳輸終端匹配電阻與源端電阻50Ω匹配后形成分壓，最后輸出值與原輸入相同，但有約20ns的延遲。

　　5 結(jié)語

　　研究長線傳輸阻抗匹配的關(guān)鍵在于建立匹配模型和計(jì)算阻抗。由于阻抗的計(jì)算誤差會(huì)大大影響信號的傳輸，所以在阻抗不匹配的情況下，將導(dǎo)致信號數(shù)據(jù)誤碼或重傳。經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，即使1％的重傳率，也會(huì)增大雷達(dá)信號脈沖的誤差，造成數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確。實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了所提供的長線傳輸匹配方法是行之有效的，它對測試系統(tǒng)技術(shù)在阻抗匹配中的應(yīng)用，以及控制和分析特征阻抗具有一定的參考價(jià)值。