特性阻抗计算
特征阻抗计算公式
特征阻抗计算公式
特性阻抗计算公式推导过程
传输线路的阻抗特性""Zo是指波在传输线中电压振幅和电流振幅的比率。
是指当电缆无限长时该电缆所具有的阻抗,是阻止电流通过导体的一一种电阻名称,它不是常规意义上的直流电阻。
一条电缆的特性阻抗是由电缆的电导率、电容以及阻值组合后的综合特性。
假设--根均匀电缆无限延伸,在发射端的在某一-频率下的阻抗称为“特性阻抗”(Characteristic Impedance)。
这些参数是由诸如导体尺寸、导体间的距离以及电缆绝缘材料特性等物理参数决定的。
测量特性阻抗时,可在电缆的另一-端用特性阻抗的等值电阻终接,其测量结果会跟输入信号的频率有关。
特性阻抗的测量单位为欧姆。
在高频段频率不断提高时,特性阻抗会渐近于固定值。
例如同轴线将会是50或75欧姆;而常用非屏蔽双绞线的特性阻抗为100欧姆,屏蔽双绞线的特性阻抗为150欧姆。
特征阻抗如何计算
特征阻抗是对于交流信号(或者说高频信号)来说的。
PCB走线中特征阻抗计算公式:。
同轴电缆的特性阻抗计算
同轴电缆的特性阻抗计算同轴电缆特性阻抗拉普拉斯方程矩形网格同轴电缆的横截面可以看做是两个同心圆。
外圆半径为2,内圆半径为1。
外圆上的电势为1,内圆上的电势为0。
我们依据这些条件,通过编写matlab程序来计算出同轴缆线的特性阻抗。
首先介绍一下计算中所用到的物理学公式。
特性阻抗的公式为如下所示,C 为电容,C0为光速。
由这两个公式,我们可将求解阻抗的问题转化为求解电量的问题。
此时我们可以使用高斯公式。
为了处理截面上的问题,我们将面积分化为线积分。
本次计算过程中编程采用的方法是逐次超松弛迭代法。
先将同轴电缆的截面按矩形网格进行划分。
由于同轴电缆截面具有对称性,为了缩短程序运行时间,我们可以先计算四分之一截面内的电位分布。
电位的迭代公式如下。
由于这个程序采用矩形网格来处理圆的问题,所以处理精度和处理速度都没有采用极坐标处理理想。
如果希望得到跟极坐标情况下同样误差的结果,则需要耗费更多的计算时间。
图一为基本算法。
图二、图三、图四分别是将代误差率为百万分之一时的特性阻抗、电势分布图和电场分布图。
在文章的最后附有程序的代码。
建立一个所有元素均是nan的矩阵U在U中将1/4个圆环离散化(圆环所包括的点取0)将所有点的c1 c2 c3c4分别存入四个与U同维的矩阵C1 C2C3 C4中U(i,j)=0时上下左右是否有nan有没有U(i,j)为边界点计算c1 c2 c3 c4中不等于1的值U(i,j)不为边界c1=c2=c3=c4=1将边界上的电势值和C1 C2 C3 C4带入迭代公式开始反复迭代矩阵U若干次迭代后便得出在四分之一个圆环内的电势分布图一图二图三图四程序代码:clcclear all;ticr1=2;r2=1;n=.01;c=299792458;%err=8.854e-12;wuchalv=.0001;x=-r1:n:r1;y=r1:-n:-r1;l=length(x);dones=ones((l+1)/2);dlens=n*dones;dianwei_1=NaN((l+1)/2);[X,Y]=meshgrid(x,y);for i=1:(l+1)/2for j=1:(l+1)/2if X(i,j)^2+Y(i,j)^2<=4&&X(i,j)^2+Y(i,j)^2>=1dianwei_1(i,j)=0;elseendendenddianwei_2=isnan(dianwei_1);len3=dlens;for i=1:(l+1)/2for j=1:(l+1)/2-1if dianwei_2(i,j)==1&&dianwei_2(i,j+1)==0len3(i,j+1)=abs(abs(sqrt(r1^2-Y(i,j+1)^2))-abs(X(i,j+1)));elseendendendlen3((l+1)/2,1)=0;len2=len3';len1=dlens;for i=1:(l+1)/2for j=1:(l+1)/2-1if dianwei_2(i,j)==0&&dianwei_2(i,j+1)==1len1(i,j)=abs(abs(sqrt(r2^2-Y(i,j)^2))-abs(X(i,j)));elseendendendlen4=len1';c1=len1./n;c2=len2./n;c3=len3./n;c4=len4./n;dianwei_3=[dianwei_1 dianwei_1(:,(l+1)/2);dianwei_1((l+1)/2,:) NaN]; dianwei_4=dianwei_3;dianwei_5=dianwei_3;maxerl=1;en=1;while maxerl>=0for i=1:(l+1)/2for j=1:(l+1)/2if c1(i,j)==1&&c2(i,j)==0&&c3(i,j)==0&&c4(i,j)==1dianwei_3(i,j)=1;elseifc1(i,j)==1&&c2(i,j)<1&&c2(i,j)>0&&c3(i,j)==0&&c4(i,j)==1dianwei_3(i,j)=1;elseifc1(i,j)==1&&c3(i,j)<1&&c3(i,j)>0&&c2(i,j)==0&&c4(i,j)==1dianwei_3(i,j)=1;elseif c1(i,j)==0&&c2(i,j)==1&&c3(i,j)==1&&c4(i,j)==0dianwei_3(i,j)=0;elseifc1(i,j)==0&&c2(i,j)==1&&c3(i,j)==1&&c4(i,j)<1&&c4(i,j)>0dianwei_3(i,j)=0;elseifc1(i,j)<1&&c1(i,j)>0&&c2(i,j)==1&&c3(i,j)==1&&c4(i,j)==0dianwei_3(i,j)=0;endendendfor i=2:(l+1)/2forj=2:(l+1)/2 %c1(i,j)*c2(i,j)*c3(i,j)*c4(i,j)*(((c3(i,j)*dianwei_3(i,j +1)+c1(i,j)*dianwei_3(i,j-1))/(c1(i,j)*c3(i,j)*(c1(i,j)+c3(i,j))))+(( c4(i,j)*dianwei_3(i-1,j)+c2(i,j)*dianwei_3(i+1,j))/(c2(i,j)*c4(i,j)*( c2(i,j)+c4(i,j)))))/((c1(i,j)*c3(i,j))+(c2(i,j)*c4(i,j)));ifc1(i,j)==1&&c2(i,j)==1&&c3(i,j)<1&&c3(i,j)>0&&c4(i,j)==1dianwei_4(i,j)=c1(i,j)*c2(i,j)*c3(i,j)*c4(i,j)*(((c3(i,j)*dianwei_3(i ,j+1)+c1(i,j))/(c1(i,j)*c3(i,j)*(c1(i,j)+c3(i,j))))+((c4(i,j)*dianwei _3(i-1,j)+c2(i,j)*dianwei_3(i+1,j))/(c2(i,j)*c4(i,j)*(c2(i,j)+c4(i,j) ))))/((c1(i,j)*c3(i,j))+(c2(i,j)*c4(i,j)));elseifc1(i,j)==1&&c2(i,j)<1&&c2(i,j)>0&&c3(i,j)==1&&c4(i,j)==1dianwei_4(i,j)=c1(i,j)*c2(i,j)*c3(i,j)*c4(i,j)*(((c3(i,j)*dianwei_3(i ,j+1)+c1(i,j)*dianwei_3(i,j-1))/(c1(i,j)*c3(i,j)*(c1(i,j)+c3(i,j))))+ ((c4(i,j)+c2(i,j)*dianwei_3(i+1,j))/(c2(i,j)*c4(i,j)*(c2(i,j)+c4(i,j) ))))/((c1(i,j)*c3(i,j))+(c2(i,j)*c4(i,j)));elseifc1(i,j)<1&&c1(i,j)>0&&c2(i,j)==1&&c3(i,j)==1&&c4(i,j)==1dianwei_4(i,j)=c1(i,j)*c2(i,j)*c3(i,j)*c4(i,j)*(((c1(i,j)*dianwei_3(i ,j-1))/(c1(i,j)*c3(i,j)*(c1(i,j)+c3(i,j))))+((c4(i,j)*dianwei_3(i-1,j )+c2(i,j)*dianwei_3(i+1,j))/(c2(i,j)*c4(i,j)*(c2(i,j)+c4(i,j)))))/((c 1(i,j)*c3(i,j))+(c2(i,j)*c4(i,j)));elseifc1(i,j)==1&&c2(i,j)==1&&c3(i,j)==1&&c4(i,j)<1&&c4(i,j)>0dianwei_4(i,j)=c1(i,j)*c2(i,j)*c3(i,j)*c4(i,j)*(((c3(i,j)*dianwei_3(i ,j+1)+c1(i,j)*dianwei_3(i,j-1))/(c1(i,j)*c3(i,j)*(c1(i,j)+c3(i,j))))+ ((c4(i,j)*dianwei_3(i-1,j))/(c2(i,j)*c4(i,j)*(c2(i,j)+c4(i,j)))))/((c 1(i,j)*c3(i,j))+(c2(i,j)*c4(i,j)));elseifc1(i,j)==1&&c2(i,j)<1&&c2(i,j)>0&&c3(i,j)<1&&c3(i,j)>0&&c4(i,j)==1dianwei_4(i,j)=c1(i,j)*c2(i,j)*c3(i,j)*c4(i,j)*(((c3(i,j)*dianwei_3(i ,j+1)+c1(i,j))/(c1(i,j)*c3(i,j)*(c1(i,j)+c3(i,j))))+((c4(i,j)+c2(i,j) *dianwei_3(i+1,j))/(c2(i,j)*c4(i,j)*(c2(i,j)+c4(i,j)))))/((c1(i,j)*c3 (i,j))+(c2(i,j)*c4(i,j)));elseifc1(i,j)<1&&c1(i,j)>0&&c4(i,j)<1&&c4(i,j)>0&&c2(i,j)==1&&c3(i,j)==1dianwei_4(i,j)=c1(i,j)*c2(i,j)*c3(i,j)*c4(i,j)*(((c1(i,j)*dianwei_3(i ,j-1))/(c1(i,j)*c3(i,j)*(c1(i,j)+c3(i,j))))+((c4(i,j)*dianwei_3(i-1,j ))/(c2(i,j)*c4(i,j)*(c2(i,j)+c4(i,j)))))/((c1(i,j)*c3(i,j))+(c2(i,j)* c4(i,j)));elseif c1(i,j)==c2(i,j)==c3(i,j)==c4(i,j)dianwei_4(i,j)=0.25*(dianwei_3(i-1,j)+dianwei_3(i+1,j)+dianwei_3(i,j+ 1)+dianwei_3(i,j-1));endendenddianwei_4((l+1)/2+1,:)=dianwei_3((l+1)/2-1,:);dianwei_4(:,(l+1)/2+1)=dianwei_3(:,(l+1)/2-1);dianwei_5=dianwei_4;dianwei_4=dianwei_3;dianwei_3=dianwei_5;er=abs(dianwei_3-dianwei_4);maxer=max(max(er));[q,w]=find(er==maxer);e=length(q);erl=zeros(1,e);for o=1:eerl(1,o)=er(q(o),w(o))-(wuchalv)*dianwei_3(q(o),w(o));endmaxerl=max(max(erl));for i=2:(l-1)/2p(i-1)=(dianwei_3(i-1,i-1)-dianwei_3(i,i))/(n*sqrt(2))*2*pi*(2-(i-1)* n)*sqrt(2);endk1=1;for k=1:(l-1)/2-1if ~isnan(p(k))==1Q(k1)=p(k);k1=k1+1;endendQ1=mean(Q');for i=2:(l-1)/4p1(i)=(dianwei_3((l+1)/2,i-1)-dianwei_3((l+1)/2,i))/(n)*2*pi*(2-(i-1) *n);endP1=mean(p1');R1=[Q1 P1];dianrong=mean(R1)*err;Z(en)=1/(c*dianrong);en=en+1;endplot(Z);hold onM=1/c/(2*pi*err/log(r1/r2));plot(M*ones(1,length(Z)),'-r');xlabel('迭代次数');ylabel('特性阻抗');text(1000,M,'理论值')hold offdianwei_6_1=fliplr(dianwei_3);dianwei_6_2=dianwei_3;dianwei_6_3=flipud(dianwei_3);dianwei_6_4=fliplr(dianwei_6_3);figure(2)dianwei_6=[dianwei_6_2(1:(l+1)/2,1:(l+1)/2)dianwei_6_1(1:(l+1)/2,3:(l+1)/2+1);dianwei_6_3(3:(l+1)/2+1,1:(l+1)/2) dianwei_6_4(3:(l+1)/2+1,3:(l+1)/2+1)];contourf(X,Y,dianwei_6);figure(3)[cc ch]=contour(X,Y,dianwei_6,15);clabel(cc);hold on[FX,FY]=gradient(dianwei_6,1,-1);quiver(X(1:20:401,1:20:401),Y(1:20:401,1:20:401),-FX(1:20:401,1:20:40 1),-FY(1:20:401,1:20:401));hold offtoc个人总结a) 本次作业的主要目的是练习一下用计算机处理FDM 。
传输线阻抗变换公式
传输线阻抗变换是在电磁传输线中进行信号匹配的一种技术,用于确保信号在传输线上的有效传输和最小反射。
当信号从一个传输线传输到另一个阻抗不匹配的传输线时,就需要进行阻抗变换。
在传输线阻抗变换中,常用的公式是反射系数的阻抗变换公式。
反射系数描述了信号的一部分被反射回原始传输线的比例,而阻抗变换公式可以用来计算反射系数。
假设有两个传输线,第一个传输线的特性阻抗为 Z1,第二个传输线的特性阻抗为 Z2。
当信号从第一个传输线传输到第二个传输线时,我们希望最小化反射,即使得反射系数尽可能接近于零。
阻抗变换公式如下:\[ \Gamma = \frac{Z2 - Z1}{Z2 + Z1} \]其中,Γ表示反射系数,Z1 和 Z2 分别表示两个传输线的特性阻抗。
根据阻抗变换公式,当特性阻抗 Z2 和 Z1 相等时,反射系数为零,即不存在反射。
这种情况下,两个传输线之间达到了完全匹配,信号可以无反射地传输。
当 Z2 大于 Z1 时,反射系数为正值,表示部分信号会反射回第一个传输线。
当Z2 小于 Z1 时,反射系数为负值,同样表示部分信号会反射回第一个传输线。
在这两种情况下,阻抗变换可以减小反射并优化信号传输。
为了实现阻抗变换,可以使用不同的技术和元件,例如阻抗转换器、阻抗匹配网络等。
这些技术和元件可以根据特定的设计要求来选择,以实现所需的阻抗变换效果。
需要注意的是,阻抗变换公式仅适用于单频率的情况。
在实际应用中,需要考虑传输线的特性阻抗随频率的变化,以及多频率信号的传输。
针对复杂情况,可能需要使用更高级的技术和工具进行阻抗匹配和变换。
综上所述,传输线阻抗变换公式是用于计算反射系数的一种公式,用于在阻抗不匹配的传输线之间实现信号的匹配和传输。
该公式可以帮助工程师在电磁传输线设计中进行阻抗变换的计算和优化。
特性阻抗
五、影响同轴电缆特性阻抗(Zc)的因素
5.1 影响同轴电缆特性阻抗的因素及比例关系:
影响Zc的因素 影响因素与Zc的变化关系 影响因素的变化 ↑ 等效介电常数ε e ↓ ↑ 内导体直径d ↓ ↑ 外导体内/外径D ↓ ↑ 编织导体直径Dw ↓ ↓ ↓ ↑ 正比 ↑ ↑ 正比 ↑ ↓ 反比 Zc的随之变化 ↓ 反比 比例关系
特性阻抗是指当电缆无限长时该电缆所具有的阻抗,是阻止电流通过导体的一
种电阻名称,它不是常规意义上的直流电阻。 一条电缆的特性阻抗是由电缆的电导率、电容以及阻值组合后的综合特性。假设 一根均匀电缆无限延伸,其发射端在某一频率下的阻抗称为特性阻抗 (Characteristic Impedance)。它由诸如导体的集合尺寸、导体间的中心距离、传输 线本身的结构、电缆绝缘材料的介电常数等因素决定,与数据传输线的长短无关。 数据传输线的瞬间阻抗或者是特征阻抗是影响信号品质及完整性的最重要的因素 。如果信号传播过程中,相邻的信号传播间隔之间阻抗保持一致,那么信号就可以十 分平稳地向前传播,因而情况变得十分简单。如果相邻的信号传播间隔之间存在差异 ,或者说阻抗发生了改变,信号中能量的一部分就会往回反射,信号传输的连续性也 会被破坏,由此会带来诸如回波损耗偏大、信号传输辐射增大、信号传输完整性不足 等问题。
解析特性阻抗 Characteristic Resistance
目
一. 特性阻抗的定义
录
二. 对称电缆的特性阻抗计算 三. 影响对称电缆特性阻抗的因素
四. 同轴电缆的特性阻抗计算
五. 影响同轴电缆特性阻抗的因素 六. NB Cable特性阻抗控制的实验数据分析
一、特性阻抗(Zc)的定义
1. 特性阻抗(Zc)的定义
4.1.2.编织外导体,绞线内导体同轴电缆的特性阻抗计算如下:
射频同轴连接器特性阻抗的计算
工 业 技 术
射频 同轴连接器特性 阻抗 的计算
岳 磊
( 天津 市德 力电子仪 器有限公 司, 天津 3 0 0 3 9 2 )
摘 要: 文章介绍 了射频同轴连接器特性阻抗的计算方法之一, 快速 简便 的获得 阻抗值 , 方便采购与检验等环节。 关键 词 : 同轴 连接 器 ; 射 频转 接 器 ; 特性 阻抗 ; 阻抗 匹配
频同轴连接器显得至关重要, 选择匹配的连接器可以提高系统的. 眭能。 述条件可以计算出 N型连接器的特性阻抗。下面是计算结果。 而作为选择连接器的重要因素 , 阻抗匹配显得很重要 , 了解和掌握阻抗 内导体外直径为 3 . 0 2 a r m , 外导体内直径为 6 . 9 6 m m是阻抗为 5 0 . 1 ; 的计算方法可以一定程度的保证器件选择、 产品进货检验等。 当两者分别是 3 . 1 5 m m和 7 . 0 6 m m时结果为 4 8 A 2射频 同轴连接器简介 让我们一起来计算—个例子 : 用于射频同轴馈线系统的连接器通称为射频同轴连接器。 以外导体内直径为 6 . 9 6 m m, 内导体外直径为 3 . 0 2 m m为例由于 8 射频 同轴连接器按 连接方式 分类为 :螺纹式连 接器 ,卡 口式连接 1 , 我们将这些数据代人公式( 4 ) 就得到 器, 推人 式连接器 , 推 人锁 紧式连接 器。 Z 0 = 5 9 . 9 5 7 6 L n - - 5 9 . 9 5 7 6 0 . 8 3 4 9 —5 0 . 1  ̄5 0 2 1 常用的射频 同轴连接器有 S M A型 、 S M B型、 S S M B型 、 N型 、 B N C 型、 T N C型等 。 3 _ 3实例 2 射频同轴连接器电气陛能方面包括特性阻抗 、 耐压、 最高工作频率 B N C 型连接器 的特性阻抗 : B N C型连接器使用于低功率 , 按特f 生 阻抗分为 5 0 1 2 和7 5 l l 两种。 等因素 , 特性阻抗是连接器与传输系统及电缆的阻抗匹配, 是选择射频 同轴连接器的主要指标 , 阻抗不匹配会导致系统l 生 能的很大下降。 通过 不 同于其 它类型 连接器 的特 点是 5 0 f l 与7 5 2 的 内导体 与外导 体 的尺 1 构成特 l 生 阻抗不 同的 区别 在是否 填充介质 , 也 就是说 有一种 阻 计算的阻抗来选择匹配的连接器 , 方便采购、 检验及设计。利用射频同 寸一样 , 抗 的连接器 的填充 是空气 。 7 5 1 2 特l 生阻抗的连接器 没有填充介 质 , 即空 轴连接器的结构尺寸计算其阻抗值的方法, 快速简便。 3射频 同 气介质( £ 1 ) 。 5 0 1 1 特陛阻抗的在内外导体之间填充的是常见的聚四氟 £ r 大约在 2 2 _ 之间。B N C型连接器外导体的内直径的标 射频同轴连接器的特『 生 阻抗主要依据其外导体的内直径和内导体 乙烯介质, 称值是 6 . 5 a r m, 内导体的外直径是 2 . 0 6 - 2 . 2 1 m m 。同样对于外导体内直 的外直径以及和填充的介质共同决定的。如图 1 所示 径的标称值由于机加工过程所造成的± 0 . 0 5 a r m的误差范围,这样就可 以算出在有无介质条件下的B N C型射频同轴连接器的特 陛阻抗。 下面 是有 填充介质 时的特 陛阻抗 。 7 5 n( 填充 介质 为空气 , e r = 1 ) : 内导体 外 直径 为 2 . 0 6 m m , 外 导体 内 直径为 6 A 5 是 阻抗为 6 8 A ; 当两 者分 别是 2 . 2 1 mm和 6 . 5 5 m m时结 果为
特性阻抗计算公式推导过程
特性阻抗计算公式推导过程特性阻抗是指电磁波在介质界面上传播时的电磁特性。
它描述了电磁波在界面上的电场和磁场之间的关系。
特性阻抗的计算方法可以通过推导沿法线传播的电磁波的电场和磁场分别与其幅度、相位之间的关系而得到。
假设电磁波在介质边界上沿法线传播,具有电场E和磁场H,介质1的特性阻抗为Z1,介质2的特性阻抗为Z2、根据电磁场的麦克斯韦方程组,可以得到以下关系:1.电场E的分布具有以下形式:E1=E11*e^(-jβ1z)+E12*e^(jβ1z)E2=E21*e^(-jβ2z)+E22*e^(jβ2z)其中,E11和E21分别为E的入射分量,E12和E22分别为E的反射分量,β1和β2为介质1和介质2的相位常数,z为沿法线方向的传播距离。
2.磁场H的分布具有以下形式:H1=H11*e^(-jβ1z)+H12*e^(jβ1z)H2=H21*e^(-jβ2z)+H22*e^(jβ2z)其中,H11和H21分别为H的入射分量,H12和H22分别为H的反射分量。
在介质边界上,满足以下边界条件:1.平行电场分量的边界条件:E1+E2=E32.平行磁场分量的边界条件:H1+H2=H3其中,E3和H3分别为介质1和介质2中电磁波传播方向的电场和磁场。
通过将电场和磁场的分布式代入边界条件,可以得到以下关系:E11+E12=E21+E22H11+H12=H21+H22(E11-E12)/Z1=(E21-E22)/Z2(H11-H12)/Z1=(H21-H22)/Z2将第一个和第二个等式相加,可以得到:E11+E12+H11+H12=E21+E22+H21+H22根据能量守恒定律,入射电磁波和反射电磁波的总功率应该相等,即:1/2*(,E11,^2+,E12,^2+,H11,^2+,H12,^2)=1/2*(,E21,^2+,E22,^2+,H21,^2+,H22,^2)将上述等式代入最后一个等式中,可以得到:(Z1/Z2)*(,E11,^2+,E12,^2-,H11,^2-,H12,^2)=,E21,^2+,E22,^2-,H21,^2-,H22,^2由于左边的表达式实际上是电场与磁场之比的平方,因此可以将上述等式化简为:(Z1/Z2)*(,E1,^2-,H1,^2)=,E2,^2-,H2,^2根据电磁波的特性,我们知道E/H=Zc,其中Zc为电磁波在介质中的传播速度(Z1/Z2)*(,E1,^2-,H1,^2)=(,E2,^2-,H2,^2)*(Zc^2/Z1Z2)将上式中的E和H分别替换为E的入射和反射分量的平方和H的入射和反射分量的平方之和,得到:(Z1/Z2)*(,E11+E12,^2-,H11+H12,^2)=(,E21+E22,^2-,H21+H22,^2)*(Zc^2/Z1Z2)最后,我们再根据特性阻抗的定义,即入射波和反射波之比的平方为特性阻抗的平方,可以得到:(Z1/Z2)*(,E11+E12,^2-,H11+H12,^2)=(,E21+E22,^2-,H21+H22,^2)经过推导,我们得到了特性阻抗计算的公式。
特性阻抗计算
对特性阻抗的一种浅显易懂的解释抽象又复杂的数位高速逻辑原理,与传输线中方波讯号的如何传送,以及如何确保其讯号完整性(Signal Integrity),降低其杂讯(Noise)减少之误动作等专业表达,若能以简单的生活实例加以说明,而非动则搬来一堆数学公式与难懂的物理语言者,则对新手或隔行者之启迪与造福,实有事半功倍举重若轻之受用也。
然而,众多本科专业者,甚至杏坛为师的博士教授们,不知是否尚未真正进入情况不知其所以然?亦或是刻意卖弄所知以慑服受教者则不得而知,或是二者心态兼有之!坊间大量书籍期刊文章,多半也都言不及义缺图少例,确实让人雾里看花,看懂了反倒奇怪呢!笔者近来获得一份有关阻抗控制的简报资料,系电性测试之专业日商HIOKI所提供。
其内容堪称文要图简一看就懂,令人爱不释手。
正是笔者长久以来所追求的境界,大喜之下乃征得原著“问港建”公司的同意,并经由港建公司廖丰莹副总的大力协助,以及原作者山崎浩(Hiroshi Yamazaki)及其上司金井敏彦(Toshihiko Kanai)等解惑下,得以完成此文,在此一并感谢。
并欢迎所有前辈先进们,多多慨赐类似资料嘉惠学子读者,则功在业界善莫大焉。
一 .将讯号的传输看成软管送水浇花1.1 数位系统之多层板讯号线(Signal Line)中,当出现方波讯号的传输时,可将之假想成为软管(hose)送水浇花。
一端于手握处加压使其射出水柱,另一端接在水龙头。
当握管处所施压的力道恰好,而让水柱的射程正确洒落在目标区时,则施与受两者皆欢而顺利完成使命,岂非一种得心应手的小小成就?1.2 然而一旦用力过度水注射程太远,不但腾空越过目标浪费水资源,甚至还可能因强力水压无处宣泄,以致往来源反弹造成软管自龙头上的挣脱!不仅任务失败横生挫折,而且还大捅纰漏满脸豆花呢!1.3反之,当握处之挤压不足以致射程太近者,则照样得不到想要的结果。
过犹不及皆非所欲,唯有恰到好处才能正中下怀皆大欢喜。
1特性阻抗
.1特性阻抗特性阻抗也称波阻抗,是电缆的二次参数,它描述了电磁波沿均匀线路传播而没有反射时所遇到的阻抗,即线路终端匹配时,线路内任一点的电压波(U)和电流波(I)的比值。
特性阻抗可以用一个复数表示,当电缆线芯的材料、直径、绝缘形式确定后,特性阻抗只随频率的变化而变化。
特性阻抗Zc为回路上任意点电压波和电流波之比并有R、L、G、C分别为对绞回路的电阻、电感、电导、电容,虚部相位角Φ从零开始到频率f =800Hz时接近-45°,然后逐渐接近零。
可以看出传播常数和特性阻抗Zc均与电缆的一次参数R、L、G、C有关,TIA/EIA---568---A规定5类缆的特性阻抗为对于局部网布线系统来说,传输媒介具有稳定的阻抗值是很重要的,否则连接器硬件就会和电缆失配。
从而引起信号反射导致传输效率下降,甚至网络无法工作。
对于高频对称电缆,由于频率增加时,集肤效应增加,使内电感减小,而外电感与频率无关,所以随频率的增加,总电感近似于外电感,式中,为等效介电常数;a为绝缘线心外径;d为导体直径由式子可以看出特性阻抗和导体类型和直径,绝缘的类型和厚度有关,在某种程度上也与线对的绞合性能有关(因等效介电常数εr和绞合有关)。
由于一般的标准中都规定了导体的直径d=24(AWG),而且从实际情况中看来,此d值也是最理想值。
这样从上式看来影响特性阻抗的只有外径(外径可以看成和导线间距α相等)、组合绝缘介质的等效相对介电常数(εr)。
而且,Zc正比于α和λ,反比于εr。
所以只要控制好了α、λ、εr的值,也就能控制好。
在实际中常用输入阻抗Zin来表述电缆的特性阻抗。
其定义式中:Z0为终端开路时的阻抗测量值;Zs为终端短路时的阻抗测量值。
3.2 回波损耗回波损耗是数字电缆产品的一项重要指标,回波损耗合并了两种反射的影响,包括对标称阻抗(如:100Ω)的偏差以及结构影响,用于表征链路或信道的性能。
它是由于电缆长度上特性阻抗的不均匀性引起的,归根到底是由于电缆结构的不均匀性所引起的。
利用HFSS计算微带线的特性阻抗
学生实验报告一、实验目的和任务1、 了解微带线的特性阻抗计算公式;2、 通过计算微带线的特性阻抗,熟悉二、实验原理介绍a.导带厚度为零时以w e / h 代替w/h 代入前述零厚度特性阻抗计算公式,即可得非零厚度特性阻抗。
(2) HFSS 软件是一个基丁有限元法计算电磁结构的交互软件包。
它将几何结构自动剖分成大 量的四面体,计算模拟器包括在分析电磁结构细节问题时的后续处理命令。
使用 Ansoft HFSS, 你可以计算:♦基本电磁场量和开边界问题的辐射近远场 ♦端口特性阻抗和传输常数♦ S 参数和相应端口阻抗的归一化 S 参数♦一种结构的本征模或谐振解经过二十多年的发展,HFS 羽其无以伦比的仿真精度和可靠性,快捷的仿真速度,方便易用的操HFSSBM 设计。
(1)微带线的特性阻抗公式:Z oZ °a8h w59.952ln(), w/h 1w 4h119.904w/ h 2.42 0.44h/w(1 6,w/h 1h/w)61 (112h)其中w 是微带的导带宽度,b.导带厚度不为零时r1 2 (1h 是介质基片的厚度。
w 20.041(1 ) ,w/h 1h12,w/h 1 12h )w et h (1 t1 h2h w ln t ), h ,4 w w ln , t h1 212作界面,稳定成熟的自适应网格部分技术使其成为高频结构设计的首选工具和行业标准,已经广泛地应用丁航空、航天、电子、半导体、计算机、通信等多个领域,帮助工程师们高效地设计各种高频结构,包括:射频和微波部件、天线和天线阵及天线罩,高速互连结构、电真空器件,研究目标特性和系统/部件的电磁兼容/电磁干扰特性,从而降低设计成本,减少设计周期,增强党争力。
三、实验内容和数据记录1、令w 1mm,h 0.6mm, r 4.4或「2.2 ,其中t 0或t 0.05mm代入上面公式分别求出特性阻抗。
2、利用HFSS求微带线的特性阻抗(1) 进入执行命令窗口,选择单位mm(2) 画介质基片:点击solids box 选择x 0, y 0, z 0 Enter z 在Enter box size 命令下x 10, y 20,z 0.6 ,在Nam命令下写box1 Enter;点击图标Sel box1 ok Arrange / Move 在Enter vector 命令下x 5, y 0, z 0 Enter (3)画微带线:点击solids box 选择x 0, y 0, z 0 Enter z 在Enter box size 命令下x 1,y 20, z 0.05,在Nam命令下写box2 Enter ;占八、、击图标Sel box2 ok Arrange / Move 在Enter vector 命令下x 0.5, y 0,z 0.6 Enter(4) 画仿真区域:点击solids box 选择x 0, y 0, z 0 Enter z 在Enter box size 命令下 x 10, y 20, z 10 ,在Nam命令下写box3 Enter ;点击图标Sel box3 ok Arrange / Move 在Enter vector 命令下x 5, y 0,z 0 Enter(5) 点击File / Save Exit , 乂回到命令窗口,在Draw后打勾,表示完成Draw(6) Setup Materials:点击Setup Materials ,选择box1 , D 在materials 中选择FR4_epoxy Assign ;选择box2,在Materials 中选择Per conductor Assign ;选择box3,在Material 中选择vacumm Assign ;Exit 在Save changes before closing? 命令下ok(7) Setup Boundaries/Sources: 点击Setup Boundaries/Sources 选择 source port1 点击红色网格的面Assign 单击右键 Rotate 旋转物体 选择source port 2 选择与port1相对应的面为红色网格 Assign , 点击File / Save Exit , 乂回到命令窗口 (8)Setup solution: 按如下设置, (9) solve:即PC 机进入计算 (10) Post Process:post processpost process (Port:m1,port:m1 (11)在 Setup Materials 然后点击ok Matrix Data S Matrix 和 Port ZO plot New plot Data Type ( S matrix ) ,Quantity VSWR Plot Matrix ),component(Magnitude) 在将box1选择为Teflon,其它不变再进行计算解答过程: 1、a.导带厚度为零时 w/h 1.67 1 所以: a ZO w/ h 119.904 119.904所以: 2.42 0.44h/w (1 h/w)61.672.42 0.44R 98.350.6 (1 0.6)6 4.4时,e22 Z Z !Z 0e98.35 3.29 2.2 时, r 1 r 1r 所以:e 2 Z o a 2 (1 r 1 1 (1 12h ) w 54.22 12h、 —) w ZO98.35 1.809573.11 b.导带厚度不为零时 w/h 1.67 1/2(即导带厚度为0.16 所以: w e w h hln2ht1 0.6w e / h 1.78084.4 122.2 12 0.05)0.05 0.64.4 1 2(112 0.6)1123.292.2 1212 0.6) 1121.8095ln 2 °.6 0.051.7808以w e/h代替w/h代入前述零厚度特性阻抗计算公式,得:Z°a119.904 119.904所以: 所以: w e/h 2.42 0.44h/w e (1 h/w e)6 1.7808 2.42 0.44 0.5615 (1---------- 695.0510.5615)4.4时,r 1M(112h)w4.4 1 4.4 1 12 0.5615、『1 ^)12 3.311Z。
CadencePCBSI分析特性阻抗教程
1、概要在进行PCB SI的设计时,理解特性阻抗是非常重要的。
这次,我们对特性阻抗进行基础说明之外,还说明Allegro的阻抗计算原理以及各参数和阻抗的关系。
2、什么是特性阻抗?2.1、传送线路的电路特性在高频率(MHz)信号中,把传送回路作为电路。
2.1.1、电阻R电阻R是指普通的导线带有的欧姆电阻。
R = ρ・L / S[Ω] (S:横截面面积[m2],L:导体长[m],ρ:金属(铜)的电阻率[Ω*m])。
在高频频域范围内的话,根据表面效果和集合效果的影响,集中在导体表面电流流动,会使上面公式中的阻值变得更大。
2.1.2、电容C电容C是指积蓄在导体间电荷的量。
C = ε(S / d)[F](ε:介电常数,S:导体的横截面积,d:导体间的距离)2.1.3、电感L电流流动的导线必定有磁通量发生,根据这个产生的自感。
L=0.002S[2.3lg(2s/w+t)+0.5][µH]S:导线长度(cm) W:导线宽度(cm) t:导线厚度(cm)2.1.4、电导G物体传导电流的本领叫做电导。
对导体间的介电特性的反抗成分,表示容易电流的程度。
G = 1 / R2.2、阻抗和特性阻抗的不同?阻抗表示电路部分对交变电信号流通产生的阻力,是传输线上输入电压对输入电流的比率值Z = V(x)/ I(x)特性阻抗特征阻抗是指信号沿传输线传播时,信号看到的瞬间阻抗的值。
简单地讲,无限长传输线上各处的电压与电流的比值定义为传输线的特性阻抗。
Z0 = √( (R + jωL) / (G + jωC) ) ≒√(L / C)(R<<ωL,G<<ωC)3、Allegro的特性阻抗计算原理3.1、在Layout Cross Section中阻抗计算PCB SI菜单的Setup >Cross-section<单线的特性阻抗计算方法>1、设定层结构和材料物质。
2、Width栏输入线宽的话,在Impedance栏会计算出特性阻抗。
1.3传输线的特性参量
传输线的特性参量主要包括:传播常 数、特性阻抗、相速和相波长、输入阻 抗、反射系数、驻波比 ( 行波系数 ) 和传 输功率等。
1.3 传输线特性参量
一、特性阻抗
V ( z ) A1e z + A2e z 1 I ( z ) ( A1e z A2e z ) Z0
min max
1.3 传输线特性参量
I I
min max
1 1+
1
传输线上反射波的大小,可用反射系数的 模、驻波比和行波系数三个参量来描述。
反射系数模的变化范围为 驻波比的变化范围为 行波系数的变化范围为
对于微波传输线,由于, L1C1
vp 1 L1C1
所以有:
(2.3-7)
双导线和同轴线上行波的相速度均为:
vp 1
1
0 0 r
v0
r
1.3 传输线特性参量
定 义 相波长,为波在一个周期 T 内等相位
面沿传输线移动的距离,即:
0 p v pT f r
(1)传输线上任一点的阻抗与该点的位置和负载阻 抗有关,分布于沿线各点,是一种分布参数阻抗 。 (2)传输线段具有阻抗变换作用,Z L 通过线段 d变换成 Z in (d ) ,或相反。
( 3 ) 无 耗 线 的 阻 抗 呈 周 期 性 变 化 , 具 有 / 4 变换性和 / 2 阻抗重复性。
(3) 由于在微波频率下,电压和电流缺乏明 确的物理意义,不能直接测量,故传输线阻抗 也不能直接测量,但可以间接测量。
没有反射波,则:Zin(d)=Zo。
1.3 传输线特性参量
阻抗的有关计算公式
影响高频测试的因素一、影响特性阻抗的主要因素即电容与电感间的关系(公式见图)从阻抗公式看影响特性阻抗值的只有外径(外径可以看成和导线间距α相等)、总的绞合系数(λ)、组合绝缘介质的等效相对介电常数(εr)。
而且,Z正比于α和λ,反比于εr。
所以只要控制好了α、λ、εr的值,也就能控制好了Z。
一般来说节距越小Z越小,稳定性也越好,ZC 的波动越小。
1导体外径:绝缘外径越小阻抗越大。
2电容:电容越小发泡度越大同时阻抗也越大;3绝缘外观:绝缘押出不能偏心,同心度控制在90%以上;外观要光滑均匀无杂质,椭圆度在85%以上。
电线押完护套后基本上阻抗是不会再出现变化的,生产过程中的随机缺陷较小时造成的阻抗波动很小,除非在生产过程有过大的外部压力致使发泡线被压伤或压变形。
当较严重的周期性不均匀缺陷时,且相邻点间的距离等于电缆传输信号波长的一半时,在此频率点及其整数倍频率点上将出现显着的尖峰(即突掉现象),这时不但阻抗不过,衰减也过不了。
二、各工序影响衰减的主要因素a衰减=a金属衰减+a介质材料衰减+a阻抗不均匀时反射引起的附加衰减1.导体:导体外径下公差,电阻增大,影响传输效果及阻抗;所以一般都采用上公差的导体做发泡线。
高频时信号传输会出现集肤效应,信号只是在导体的表面流过,所以要求导体表面要平滑,绞合绝对不能出现跳股现象,单支导体及绞合后的圆整度要好。
导体束绞、绝缘押出及芯线对绞时张力都不能过大,以防拉细导体。
2.绝缘:在绝缘时影响衰减的因素主要有绝缘材料、绝缘线径稳定性、发泡电容值及气泡匀密度、同心度(发泡层及结皮的同心度)、芯线的圆整度。
在测试频率越高时对发泡材料的要求越高,但现在所用的DGDA3485是现在高频线用得最广泛的化学发泡料。
控制绝缘主要有以下几项:A.外径要控制在工艺要求偏差±0.02mm之内;B.发泡要均匀致密,电容要控制在工艺要求偏差±1.0PF之内;C.绝缘外结皮厚度控制在0.05mm以内;D.色母配比不能过大,越少越好,在1.5%左右;E.外观:外观要光滑均匀,无杂质,椭圆度在85%以上。
矩形同轴线特性阻抗
矩形同轴线特性阻抗一、计算方法对于TEM 传输线来说,由表达式Z 1'0)(-=cC 知要计算矩形同轴线的特性阻抗,只需算得其单位长度内的电容即可。
内外导体之间相对平行部分的电容很容易求得,然而要计算四个拐角处的角电容则很难。
Skiles and Higgins 通过使用一种数学上的计算方法解决了这个难题——正交模块分析法。
该方法将待分析的区域划分为互相重叠的小区域,然后分别算出各个小区域内的量,最后予以叠加。
在计算矩形同轴线的特性阻抗时,实际只需要计算其中四分之一部分的量,如图(a )所示。
正交模块分析方法将次区域划分为了1和2两个区域,其中的量分别用1ψ和2ψ表示,如图(b )所示。
通过对所求区域内电位函数所满足的拉普拉斯方程 的求解,再结合特殊边界条件,解出各个待求的量。
二、计算过程1、目标函数:由所求区域中的电位函数满足拉普拉斯方程,得1ψ、2ψ、1φ和2φ的正交解形式:∑∞==11)/sin()(),(k k h y k x f y x πψ OBCG∑∞==12)/sin()(),(k k g x k y v y x πψ OAEF∑∞==11)/sin()(),(k k h y k x y x πφφ OADG∑∞==12)/sin()(),(k k g x k y y x πωφ OADG其中,k f 、k v 、k φ和k ω是由边界条件确定的待定常数。
),(),(11y x y x U U ψ== ABCD 2/ω+<<g x g h y <<0),(),(),(111y x y x y x U U φψ+== OADG g x <<0 h y <<0 ),(),(22y x y x U U ψ== DEFG g x <<0 2/b h y h +<< ),(),(),(222y x y x y x U U φψ+== OADG g x <<0 h y <<02、边界条件:X 方向上:(一)、在X=0处:(1)、),0(),0(),0(222y y y U φψ+= 2/0b h y +<< (2)、0),0(0),0(22=⇒=y y φψ(3)、0),0(),0(),0(111=+=y y y U φψ h y <<0(二)、在X=g 处:(1)、02),(U y g =ψ 2/0b h y +<< (2)、),(),(202y g U y g U φ+= h y <<0(3)、0),(1=y g φ h y <<0 (),(1y x ψ在g x =处连续,由上述U 等式组前两式得) (4)、),(),(21y g U y g U = h y <<0 (5)、01=∂∂=gx xφ h y <<0(三)、在2/ω+=g x 处:02/1=∂∂+=ωψg x xh y <<0Y 方向上:(一)、在0=y 处:(1)、)0,()0,()0,(111x x x U φψ+= 2/0ω+<<g x (2)、0)0,(0)0,(11=⇒=x x φψ(3)、0)0,()0,()0,(222=+=x x x U φψ g x <<0(二)、在h y =处:(1)、01),(U h x =ψ 2/0ω+<<g x (2)、),(),(101h x U h x U φ+= g x <<0(3)、0),(2=h x φ g x <<0 (),(2y x ψ在h y =处连续,由上述U 等式组前两式得) (4)、),(),(21h x U h x U = g x <<0 (5)、02=∂∂=hy yφ g x <<0(三)、在2/b h y +=处:02/2=∂∂+=b h x yψ g x <<03、通过边界条件解得系数:0')1(2)cosh()sinh()(U k h x k B h x k A x f k k k k --+=πππ0)1(2)cosh()sinh()(U k g y k N g y k M y v k k k k --+=πππ11220')(2)1()1(2)cosh()sinh()(-∞=∑⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎣⎡+⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-+-++=p p k k k k k k g h p h v U k h x k C h x k D x ππππφ ⎥⎦⎤⎢⎣⎡⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-⎪⎭⎫⎝⎛⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛∙g x p k h x k g h p ππsin sinh11220)(2)1()1(2)cosh()sinh()(-∞=∑⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎣⎡+⎪⎭⎫ ⎝⎛-+-++=p p k k k k k k h g p g f U k g y k F g y k L y ππππω ⎥⎦⎤⎢⎣⎡⎪⎭⎫ ⎝⎛-⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛⎪⎭⎫ ⎝⎛∙h y p k g y k h g p ππsin sinh利用特殊边界条件,将相同项约去并化简,得:⎪⎪⎩⎪⎪⎨⎧+=+=∑∑∞=∞=k p p kp k k p p kp k D X c Y B Y a X 11)sinh()1('hkg g B h k X k k k -=)sinh()1(g h k g N h k Y kk k π-=2222k p g h m g hk a p kp+⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛=π ;222⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛=g h k B k π 2222k p h g n h g k c p kp +⎪⎭⎫ ⎝⎛=π ;22πk D k = ⎥⎦⎤⎢⎣⎡+=g h g b p g b p g h p m p )2(cosh )2cosh()sinh(πππ⎥⎦⎤⎢⎣⎡+=)2(cosh )2cosh()sinh(h g h p h g p h g p n p ωπππ4、得出目标函数表达式:()⎥⎦⎤⎢⎣⎡--⎥⎦⎤⎢⎣⎡+-+=∑∞=h g x k h g h k h h g k h y k k Y h g U h y U k k k 2cosh )2(sec )sinh()sin()1(1001ωπωπππψ()⎥⎦⎤⎢⎣⎡--⎥⎦⎤⎢⎣⎡+-+=∑∞=g b h y k g h g b k h g h k g x k k Y h g U g x U k k k 2cosh )2(sec )sinh()sin()1(1002ππππψ利用ds n U U C ss ⎰⎪⎭⎫⎝⎛∂∂=0'ε得: ⎪⎭⎪⎬⎫⎪⎩⎪⎨⎧⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎣⎡+⎪⎭⎫ ⎝⎛-⎥⎦⎤⎢⎣⎡+++=∑∑∞=∞=12122'131224p p pp p p n p X m p Y h g h g g h g b h C πωε三、计算结果 136.054.500±=Z ohms。