高频传输线讯号分析基础

采编：Admin 来源：互联网发布时间：2022-06-13 14:22:25

1何为传输线?

传输线理论来源:在信号完整性和电源完整性,工程师必须理解传输线理论基础,这里给出简单的传输线理论.

如果传输线上传输的信号是低频信号,假设是1KHz,那么信号的波长就是300公里(假设信号速度为光速),即使传输线的长度有1米长,相对于信号来说还是很短的,对信号来说传输线可以看成短路,传输线对信号的影响是很小的。但是对于高速信号来说,假设信号频率提高300MHz,信号波长就减小到1米,这时候1米的传输线和信号的波长已经完全可以比较,在传输线上就会存在波动效应,在传输线上的不同点上的电压电流就会不同。在这种情况下,我们就不能忽略传输线对信号造成的影响。传输线相对信号来说就是一段长线,我们要用长线传输里的理论来解决问题,特别是高频时传输线理论不可忽视.

常见的电气参数基础介绍

电线电缆产品应用于全球消费电子、高清数字、微波通讯、通讯基站、IT设备、太阳能光伏、公路车辆、家电、工控和能源等领域。尤其是随着大数据时代的到来,信息交互量越来越大,作为安防通信、网络通信及相关信号传输用途的电线电缆在国内乃至全球都有巨大的应用市场,高频参数将影响其众多的使用领域和效果.

衰减---Attenuation 單位 –dB

高频电子讯号在传动时由于基本材料电阻,产生讯号强度(电压)降低以外,尚有因高频引发的Impedance,导致电子讯号强度再被降低,基本电阻的衰减取决于导体材质可称直流衰减,电容电感的衰减取决于频率高低可称交流衰减,且频率越高此衰减越严重;如果ATT数值越趋近于0时,表示讯号损耗的情况越少。反之,ATT数值越负(越小)时,表示讯号损耗的情况越严重.

常见的衰减参数的测试图,Pass表示符合测试要求,NG表示测试数据异常

衰减/插入损失(α,Attenuation/Insertion Loss)

指输出端功率(Pout)比入射端功率(Pint)降低了多少,以dB(分贝)来表示,也可以是指输出电压(Vout)与入射电压(Vin)相比讯号损耗剩下多少,一般是用NA(网路分析仪)来量测,可由仪器直接量得,其公式如下:

单位长度传输线的总衰减是中心导体的损失(αc)和介电材质损失(αd)之和。

αc=11.39*f1/2/Z0*(d+D) dB/m(f:GHz d,D:cm)

或 αc=4.34*f1/2/Z0*(d+D)dB/100ft( f:MHz d,D:inch)

αD=90.96*f*Σr1/2*tan(δ) dB/m

或 αD=2.78*f*Σr1/2*tan(δ) dB/100ft δ为散逸系数

如果ATT数值越趋近于0时,表示讯号损耗的情况越少。反之,ATT数值越负(越小)时,表示讯号损耗的情况越严重。

图片

衰减常数(参照电线电缆手册一的数据说明)

表示电磁波在均匀电缆上每公裡的衰减值,它由两部分组成,

由于金属导体中的损耗而产生的衰减;

由于介质中损耗产生的衰减。

αn={[RLGL-ω2LLCL+(RL+ω2LL2)(GL2+ωL 2C2)1/2]/2} 1/2

在低损耗近似中,上式可近似为:

αn=(RL/Z0+GL*Z0)/2

从两个电压比值奈培数到同一比值的dB数之间存在一个简单的转换关係,如果两个电压的比值奈培数为rn,同样电压比值的dB数为rdB,由于它们等于相同的电压比,所以可以得到:

10rdB/20=ern

rdB=rn*20loge=8.68*rn

所以传输线单位长度的衰减dB/长度为:

αdB=8.68αn=4.34(RL/Z0+GL*Z0)

注:αn表示衰减,为奈培/长度

αdB表示衰减,为dB/长度

RL表示导线单位长度串联电阻

CL表示单位长度电容

LL表示单位长度串联回路电感

GL表示由介质引起的单位长度并联电导

理论上,这虽是频域中的衰减,但衰减却与频率没有内在联系,然而事实上,在现实世界中,对于非常好的传输,由于趋肤效应的影响,单位长度串联电阻随著频率的平方根增加;由于介质损耗因数的影响,单位长度并联电导随著频率而增加,这意味著衰减也会随著频率的升高而增加,高频率正弦波的衰减要大于低频率的衰减。

单位元长度损耗由两部分组成,一部分是由导线损耗引起的衰减:αcond=4.34(RL/Z0),另一部分衰减与介质材料损耗有关:αdiel=4.34(GL*Z0),总衰减为:αdB=αcond+αdiel

随著频率的升高,介质引起衰减的增加速度要比导线引起衰减的增加速度快,那么会存在某一频率,使得在这一频率之上时介质引起的衰减处于主导地位.

传输线上的信号损耗:

综合以上信号损耗主要包括以下几种:

阻性损耗、介质损耗:信号以电磁波的形式在传输线中传输,在介质中产生极化。介质中的带电粒子沿着电场方向规则排列,电荷的规则移动消耗了能量。

相邻耦合损耗:串扰的影响,信号的能量一部分耦合到响铃的线上去,从而衰减了自身的能量。

反射损耗和辐射损耗等:反射的信号在传输线上来回传输,最终对信号的总能量构成损耗;高频信号以电磁波的形式辐射出PCB

在分析传输线损耗时,还应注意:趋肤效应; 邻近效应 ;表面粗糙度;复介电常数 ;介质损耗 ;随频率变化的阻抗特性和时延特性等,特别自身的损耗是高频损耗的主要部分:主要是由导线自身的电阻所引起的损耗,在交流信号下,导线的阻抗会随着频率的变化而变化;走线的表面都会有一定的粗糙度,当信号的波长与走线层表明的粗糙度相近时会加剧阻性损耗,而且由于趋肤效应的影响,高频电流会集中在导体的表面,这会进一步加剧导体的阻抗损耗,下面我们将分析这些损耗如何体现在传输线上面.

线缆的低衰减可归于下列因素:

a.很大的中心导体直径(d)或绝缘介电材质的直径。

介电材质能防止高频能量经由电阻成份散逸而保存的能力.

介电材质散逸系数越低, 代表其传递高频能量之能力越高。

b.中心导体直径或覆被低阻值。

c.低介电係数。

d.低的集肤效应深度。

举一个生活中的例子,如图为热水传输管道

问题1:供热水公司输出热水假设100°C,但实际接收单位肯定会有差异,在这个热水传输过程中有发生明显损耗.

问题2:一杯热水100°C,放置一个小时以后,可能就变成常温的水,在这个放置过程中,水温发生明显损耗.

影响到热水传输损耗的原因分析:

1.传输管道的壁厚(会影响保温的时间)