同轴线缆特性阻抗的介绍及测量

2019-11-18 20:49:48·  来源:罗森伯格汽车电子  作者:黄文斌  
 
大家好,本期将为大家介绍一下在FAKRA产品定制时经常会提到一个重要的参数:特性阻抗。让我们闲话少叙,进入今天的文章吧。特性阻抗是长线传输中的概念,通常用
大家好,本期将为大家介绍一下在FAKRA产品定制时经常会提到一个重要的参数:特性阻抗。让我们闲话少叙,进入今天的文章吧。
 
特性阻抗是长线传输中的概念,通常用来衡量高频领域下系统的对信号的传输能力大小。
 
对于低频线路,根据欧姆定律:R=U/I 。在高频下,还需要计算信号的波动性,反映传输线任一点特性的参量为反射系数τ和特性阻抗Z,因为传输线上的阻抗不可能始终为一个恒定的值,即阻抗不连续,在这些阻抗变化的点就会产生波的反射,任意传输线上的波均是由入射波和反射波的叠加组成,区别在于入射波与反射波成分的不同。因此,传输线有两种极限状态:
 
1. 无反射波,反射系数=0,称之为行波状态或匹配;
2. 全反射,反射系数模=1,称之为驻波状态。
传输线上任意点Z’上的反射系数τ(z’)与特性阻抗Z(z’)的关系如下:
其中:
Z0:负载阻抗
传输线上任一点都可以等效为一段匹配线路与一个阻抗为Z’的负载,特性阻抗即为负载上入射波电压与入射波电流之比,类似地,特性阻抗也等于反射波电压与反射波电流之比:
根据阻抗计算公式:
其中:
Z:特性阻抗
R:电阻
L:电感
G:电导
C:电容
j:复数虚部
w:2πf(f=频率)
可知特性阻抗是一个与频率相关的复数。
FAKRA匹配的线路为同轴线缆,在实际应用中,同轴线缆的阻抗可以按如下公式计算:
其中:
Z:特性阻抗
εr:绝缘体的相对介电常数
D:外导体内径
d:内导体外径
可以通过调节连接器及线缆的结构及材质来限制特性阻抗,但FAKRA连接器的导体与线缆需要通过压接装配在一起,这势必会导致连接部位的尺寸变化,因此对于完整的线缆组件,我们也需要验证其特性阻抗是否满足也在规定的范围之内。
阻抗特性测试使用“时域反射法”,特性阻抗分析仪本质上是“高速脉冲源+高宽带取样示波器”模块的有机结合并辅以复杂的校准算法。
如下图所示,测试时通过带宽测试探头向被测线缆组件输入高速脉冲信号,取样接头接受反射信号,采样得到其反射电压,因为入射的阶跃脉冲的幅度是已知的,这样就可以计算出被测线路的反射系数τ,而仪器的输出阻抗为50Ω,根据上述公式,可以计算出反射点的特性阻抗值Z。
罗森伯格实验室现在使用的测试仪器为Keysight公司(是德科技)的E5071C TDR矢网分析仪,测试范围可达300KHz~20GHz,可以满足SAE/USCAR-2, ISO 20860, LV214,等各类汽车行业标准的参数测试要求。

 
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