较精确的长线传输阻抗匹配设计方法研究

1 引言

　　在现代高速电路设计中，传输线的阻抗匹配是一项非常重要的工程技术指标，可使所有高频微波信号皆达到传至负载点的目的，而不会有信号反射回源点，从而提升能源效益。阻抗是否匹配关系到信号质量的优劣，这对提高产品可靠性和通信速度，改善电磁兼容特性具有十分重要的意义。然而，要实现传输线阻抗的严格匹配，一是要解决阻抗计算精度，减小计算误差对阻抗匹配的直接影响；二是要方便高速采样器及计算机辅助设计的应用，以实现对阻抗的实时分析与处理。为此，针对航空航天、雷达等需要长线传输的阻抗匹配电路，提出了一种比较精确的阻抗计算方法。

　　2 问题的提出

　　对于高频信号来说，如果时钟脉冲信号的脉宽足够长，那么出现在该时钟脉冲信号上的反射能量和振铃能量，将由原来的一个变成两个或者更多，因而导致系统的时钟脉冲信号出现异常。此外，反射还会使逻辑器件的噪声容限变差。在该系统设计中，由于雷达输出信号为1 kΩ阻抗，因而不利于长线传输，并产生信号反射现象。反射结果对模拟的正弦波信号形成驻波，数字信号则表现为上升沿和下降沿的振铃和过冲。该过冲不仅会形成强烈的电磁干扰，也会损坏用于后级输入电路的保护二极管，甚至失效。图1示出信号过冲波形。一般而言，过冲超过O．7 V就应采取相应措施，在图2中，信号源阻抗、负载阻抗是造成信号反射的主要原因。因此要将阻抗变换为50Ω。以利于长线传输。根据史密夫图表可知，电容或电感与负载串联，可增加或减少负载阻抗，且其图表上的点会沿着代表实数电阻的圆圈走动。如果电容或电感接地，则图表上的点会以图中心旋转180°。然后才沿电阻圈走动，再沿中心旋转180°。重复上述方法直至电阻值变为1，即可直接把阻抗力变为零，这样就完成匹配。

　　3 系统工作原理

　　系统设计中，首先用变压器隔离雷达输出信号，然后通过分压跟随放大，使电容隔离，最后输出6路频率码。图3和图4分别给出系统总体设计框图和具体电路设计。

　　4 器件选择依据与匹配计算

　　4．1 变压器的选择

　　隔离变压器选用1：1的变压器。由于次级不与地相连，因此次级上任一根线与地之间都没有电位差。隔离变压器的特点就是初级与次级隔开，使他们之间不产生回路，但1：1的隔离变压器严禁次级接地。其原理如图5所示。

　　若次级绕组与初级绕组的匝数不同，则感应电势E1与E2的大小也不相同。当略去内阻抗压降后，电压U1和U2的大小也不同。当变压器次级空载时，初级仅流过主磁通的电流In，该电流称之为激磁电流。当次级加负载，即流过负载电流I2时，铁心中将产生磁通，以力图改变主磁通，但当初级电压不变时，主磁通也不变。此时，初级就要流过两部分电流，一部分为激磁电流I0，一部分为平衡电流I2，所以这部分电流将随I2的变化而变化。电流乘以匝数就是磁势。其平衡作用实质上是磁势平衡作用，变压器就是通过磁势平衡作用实现了初次级的能量传递。由于变压器不消耗功率，且产生的噪声可以忽略不计，所以信号频率很高，而且A／D转换器的输入端不允许有很大的附加噪声。因此，选择T1—6T型变压器来隔离并驱动后级A／D转换器。
　　4．2 A/D转换器的选择

　　在选用A／D转换器时，主要考虑其驱动电路性能以及跟随放大功能。为此，根据所需供电电压、带宽速率及电路简化原则，初步选用AD8051型A／D转换器。采用电压反馈电路，要使输出幅值与输入幅值不变，可根据电压负反馈：Auf=U0/UI=1+9RF/R，因此通过A／D转换器将其放大2倍，但A138051速率较AD818的速率低，波形也有一定的延迟。图6示出采用AD8051器件的输出电压u1和采用AD818器件的输出电压u2的比较。当频率在高频段不断升高时，特性阻抗会渐近于固定值。根据戴维南终端匹配输入阻抗中两电阻的并联值与传输线特性阻抗相匹配的原则，应在传输线的另一端连接与之匹配的电阻，其阻值为传输线的特性阻抗值。设计中，传输线的阻抗为50Ω，这样在传输终端匹配电阻与源端电阻50Ω匹配后形成分压，最后输出值与原输入相同，但有约20ns的延迟。

　　5 结语

　　研究长线传输阻抗匹配的关键在于建立匹配模型和计算阻抗。由于阻抗的计算误差会大大影响信号的传输，所以在阻抗不匹配的情况下，将导致信号数据误码或重传。经实验验证，即使1％的重传率，也会增大雷达信号脉冲的误差，造成数据不准确。实验验证了所提供的长线传输匹配方法是行之有效的，它对测试系统技术在阻抗匹配中的应用，以及控制和分析特征阻抗具有一定的参考价值。