现代时域测量第七章b

1、第七章 时域自动测试系统的应用o引言引言o脉冲波形时间参数和频谱幅度测量脉冲波形时间参数和频谱幅度测量o时域反射测量时域反射测量o时域传输测量时域传输测量o实际应用举例实际应用举例引言o用时域法测量比频域法测量具有独特的优点用时域法测量比频域法测量具有独特的优点n价格低、简单、直观、速度快价格低、简单、直观、速度快n适于宽带微波测量适于宽带微波测量n可以通过改变时间窗位置，消除转接头不匹可以通过改变时间窗位置，消除转接头不匹配引起的反射配引起的反射o用时域法测量是可行的用时域法测量是可行的oNicholson 1968年o3.03.2GHz带通滤波器幅相传输特性o0.2dB， 1.2o美国NB

2、So10dB衰减器衰减量o0.518GHzo0.5GHz时，0.5o11.5GHz时，1.63o美国NBSo100失配负载的S11o0.28GHzo最大偏差在4.6GHz，4.1o距离偏差1o窄带测量o传输型谐振波长器|S12|测量o偏差在5以内时域自动测试系统的应用领域o信号测量：对信号的时间波形与频谱及其参量进行测量，信号测量：对信号的时间波形与频谱及其参量进行测量，特别是对脉冲类信号的时间参数及其频谱的高精度测特别是对脉冲类信号的时间参数及其频谱的高精度测量量自动脉冲测试系统自动脉冲测试系统(APMS)(APMS)APMS取样头取样头信号源信号源50时域自动测试系统的应用领域o网络测量：

3、范围广泛，反射系数、电压驻波比、网络测量：范围广泛，反射系数、电压驻波比、插入衰减等，特别是散射系数（插入衰减等，特别是散射系数（s s参数）的测参数）的测量量时域自动网络分析仪时域自动网络分析仪(TDANA)(TDANA)APMS取样头取样头脉冲信号脉冲信号发生器发生器50被测被测网络网络触发5050测测S S2121时域自动测试系统的应用领域o传输系统或网络特性测量：传输系统或网络特性测量：时域反射计时域反射计（TDRTDR）用冲激或阶跃作激励，观测反射波用冲激或阶跃作激励，观测反射波的幅度和极性的幅度和极性不连续点的阻抗特性、数值不连续点的阻抗特性、数值及位置及位置脉冲波形时间参数和频谱

4、幅度测量o脉冲波形时间参数测量脉冲波形时间参数测量n对波形时间参数计算，主要取决于脉冲的顶量值对波形时间参数计算，主要取决于脉冲的顶量值与底量值的正确求取。与底量值的正确求取。APMS取样头取样头信号源信号源50脉冲波形时间参数和频谱幅度测量o脉冲频谱幅度测量脉冲频谱幅度测量n频域法：用窄带滤波器滤波后，测信号的幅度频域法：用窄带滤波器滤波后，测信号的幅度频谱分析仪，频谱分析仪，n时域法：用时域法：用FFTFFT，计算，计算o频带宽：频带宽：0 018GHz18GHzo速度快速度快o一次测量可提供成百上千个数据一次测量可提供成百上千个数据o数据点有限数据点有限o要扣除附加元件的影响要扣除附加元

5、件的影响时域反射测量o雷达和声纳是靠反射电磁波和声波，可在三雷达和声纳是靠反射电磁波和声波，可在三维空间探测目标，时域反射计技术（维空间探测目标，时域反射计技术（TDRTDR）也）也是靠反射信号，其原理与雷达、声纳类似，是靠反射信号，其原理与雷达、声纳类似，区别是区别是TDRTDR测量在传输线的一定距离上引起的测量在传输线的一定距离上引起的反射信号，因而它是一维的。反射信号，因而它是一维的。o通过测量反射点至观测点的往返路径的传输通过测量反射点至观测点的往返路径的传输时间可以测出距离时间可以测出距离o通过观察入射波和反射波的形状和幅度可以通过观察入射波和反射波的形状和幅度可以确定传输线阻抗不连

6、续的性质和数值确定传输线阻抗不连续的性质和数值时域反射测量原理Z0RLRg=Z0至示波器信号源通过式取样头标准传输线被测负载l典型TDR连接方式时域反射测量原理o传输线是由两根非常靠近的导体（同轴的或平行的）传输线是由两根非常靠近的导体（同轴的或平行的）组成，它们之间存在着分布的电感和电容。当在均组成，它们之间存在着分布的电感和电容。当在均匀传输线的终端连接的负载阻抗等于传输线特性阻匀传输线的终端连接的负载阻抗等于传输线特性阻抗时，便不会产生反射，称为抗时，便不会产生反射，称为匹配匹配。当负载阻抗不。当负载阻抗不等于传输线特性阻抗时，便有一部分能量反射回去等于传输线特性阻抗时，便有一部分能量反

7、射回去而形成反射波，称为而形成反射波，称为失配失配。o改变传输线的尺寸、比例、线径、线间间隔等，都改变传输线的尺寸、比例、线径、线间间隔等，都会使传输线特性阻抗改变，产生阻抗不连续点，从会使传输线特性阻抗改变，产生阻抗不连续点，从而形成反射。而形成反射。TDRTDR正是通过这些反射波的时域大小正是通过这些反射波的时域大小和形状，来判断和测定传输线的参数和性质。和形状，来判断和测定传输线的参数和性质。典型电路脉冲信号源被测系统取样示波器l0l1rgrsr1、 r2、 r3r1 r2 r312l1/vrg=0rs=0r1 r2 r32l1/vrg0rs=012l0/vr1 r2 r32l0/vrg

8、0rs 012l1/vrg1rsgrs1实际大都采用阶跃信号作源，分辨力好，易识别反射性质实际大都采用阶跃信号作源，分辨力好，易识别反射性质电阻性终端或不连续性o反射系数：反射系数： =(R-Z0)/ (R+Z0)Z0Z0lRS1234R=1RZ0=+R=Z0=0RZ0=-R0=-1电抗性终端或不连续性o电容在电压跃变瞬时相当于短路，充电终电容在电压跃变瞬时相当于短路，充电终了等于开路了等于开路o电感相反电感相反时域反射系统o宽带宽带TDRTDRn无色散系统中，采用单位冲激函数或单位阶跃函数。要求脉冲宽无色散系统中，采用单位冲激函数或单位阶跃函数。要求脉冲宽度或上升时间度或上升时间t tr r

9、0.35/f0.35/f3dB3dB，如，如f f3dB3dB=18GHz=18GHz时，时， t tr r20ps20ps。因为可。因为可用频谱较宽，称为宽带用频谱较宽，称为宽带TDRTDRo窄带窄带TDRTDRn对单导体波导或带有带通滤波器的系统，不能直接以基带脉冲作对单导体波导或带有带通滤波器的系统，不能直接以基带脉冲作为测试信号。用开关调制，微波信号源中心频率、波形、宽度等为测试信号。用开关调制，微波信号源中心频率、波形、宽度等可控。可控。n与宽带与宽带TDRTDR差别：脉冲包络上升、下降时间慢，且因波导的色散而差别：脉冲包络上升、下降时间慢，且因波导的色散而进一步失真进一步失真降低窄

10、带降低窄带TDRTDR的距离分辨力（一般为的距离分辨力（一般为dmdm量级）量级）n由于难以识别微波相位由于难以识别微波相位只能判别各目标反射系数大小，不能只能判别各目标反射系数大小，不能区别其性质（即电阻性或电容性、电感性）区别其性质（即电阻性或电容性、电感性）光时域反射计o随着光纤通讯技术的发展，出现了光时域反射计随着光纤通讯技术的发展，出现了光时域反射计（OTDROTDR），它是测试光纤长度、测量光纤损耗分），它是测试光纤长度、测量光纤损耗分布和查找故障位置的重要测试设备。它的基本原布和查找故障位置的重要测试设备。它的基本原理和理和TDRTDR相似，不同的是用激光脉冲作为激励源，相似，不

11、同的是用激光脉冲作为激励源，然后用示波器来观察光纤中的各种反射。然后用示波器来观察光纤中的各种反射。光时域反射计驱动YGE-APD光纤定向耦合器被测光纤匹配液激光源时基扫描取样积分示波器放大器X长波长长波长OTDR框图框图光时域反射计o激光源由驱动器产生的矩形电流脉冲驱动，其分激光源由驱动器产生的矩形电流脉冲驱动，其分光系统采用光系统采用x x型光纤定向耦合器，其中三个端分型光纤定向耦合器，其中三个端分别接发射、接收和被测光纤，第四端浸入匹配液别接发射、接收和被测光纤，第四端浸入匹配液以消除强反射。采用这一方式，由于插入损耗小，以消除强反射。采用这一方式，由于插入损耗小，互隔离度高，因此发射与

12、接收之间无串扰，从而互隔离度高，因此发射与接收之间无串扰，从而避免了测试盲区。仪器中的接收端采用锗雪崩光避免了测试盲区。仪器中的接收端采用锗雪崩光电二极管（电二极管（GEGEAPDAPD）作为探测器，使用有足够）作为探测器，使用有足够动态范围的放大器对信号进一步放大，取样积分动态范围的放大器对信号进一步放大，取样积分器利用相关原理从噪声中滤出后向散射信号，输器利用相关原理从噪声中滤出后向散射信号，输出接至示波器。出接至示波器。时域传输测量o基本电路UUT通过式采样头源终端负载l1l2l3td1td2td3tdT1r1r2r3T1r1r2r3td1+ td2+ td2 td22 td32 td1

13、无法隔离接头反射无法隔离接头反射有效时间窗有效时间窗传输参数S21测量原理被测网络R0R0l1l2T(s)取样器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传输参数S21测量原理21( )()( )dtdiF VtSjF VtR0R0l1l2T(s)取样器Vdi(s)Vg (s)Zg(s)Zs(s)被测网络R0R0l1l2T(s)取样器Vdt(s) Vg (s)Zg(s)Zs(s)传输参数S11测量原理11( )()( )drdiF VtSjFVtR0l1取样器Vg Zg被测网络R0实际应用举例o同轴与波导元件测量

14、同轴与波导元件测量n宽带同轴衰减器宽带同轴衰减器n波导波导n晶体检波器晶体检波器o传输线测量传输线测量o材料测量材料测量o脉冲电磁场与天线的测量脉冲电磁场与天线的测量o光导开关测量光导开关测量同轴与波导元件测量o宽带同轴衰减器宽带同轴衰减器脉冲信号源步进衰减器被测网络取样头APMS延迟线触发插入损耗测量框图插入损耗测量框图同轴与波导元件测量o波导波导n延迟线为波导延迟线延迟线为波导延迟线n与仪器通过同轴至波导适配器转换与仪器通过同轴至波导适配器转换传输线测量KSmRSLGSC单位长度单位长度电缆模型单位长度电缆模型 传输线测量)(22)(2000012)(1)()(4)()()(slslese

15、sZRsZRsEsEsH10, )/()()(20mSCGKSSLRsZm10, )()(mSCGKSSLRsm)()()(0000sZRsZRs在拉氏域中，电缆传递函数模型为在拉氏域中，电缆传递函数模型为式中：式中： l为电缆长度，为电缆长度，K是与损耗有关的常数，来源于以物理过是与损耗有关的常数，来源于以物理过程为基础的高频损耗模型，其损耗是频率的函数。如果已程为基础的高频损耗模型，其损耗是频率的函数。如果已知知l、R、L、C、G、K和和m，则可得到频域电缆传递函数。，则可得到频域电缆传递函数。传输线测量 E1(s)(a)参考电压模型E2(s)lEg(s)Z0(s)r(s)(b)响应电压模型信号源内阻R0信号源内阻R0匹配负载RL匹配负载RLEg(s)电缆传递函数测量模型电缆传递函数测量模型测量步骤： )(1te)(2te)()()()()(1212teFFTteFFTjEjEjH R R、l、L L、C C、G G可分别测量得到，或由厂家提供。可分别测量得到，或由厂家提供。 照图