一种传输线特性阻抗的测试方法 本发明是申请号为03104554.5、申请日为2003年2月18日、发明名称为“传输线特性阻抗的测试方法”申请的分案申请。
【技术领域】
本发明属于高频电子通信线路领域，涉及一种传输线特性阻抗测试方法，特别是指一种通过测量传输线的S参数得到传输线的特性阻抗的实现方法。
背景技术
高频电路必须考虑信号传输的匹配问题。频率高到一定程度的电波具有光传播的波动性，在传输的过程中会存在象光传播一样的反射、折射。信号传输的反射、折射对电子线路的工作影响非常大，在通信电子线路中会导致信号的失真，产生杂散、谐波，降低通信接收灵敏度，甚至破坏器件的正常工作。
电波传输的反射与折射是由于传输线的不连续性造成的，即传输线特性阻抗与负载阻抗不匹配造成的，因此传输线与负载地匹配在高频电子电路设计中非常重要。传输线的特性阻抗是描述传输线传播电波的特性参数，在印刷电路板(PCB)加工过程中，制作的传输线特性阻抗是否满足设计要求，需要经过测试与验证。
目前，传输线特性阻抗的测试通常采用时域反射(TDR)的方法来进行测量，该方法是通过示波器发射一个方波或阶跃激励，测量传输线的反射参数。由于这种方法采用时域测量法，因此通常在频率较低如1GHz以下，信号传输线无损耗的情况下适用，在频率较高的情况下，测量误差较大，并且无法测量传输线的损耗特性，即只能测量传输线特性阻抗的实部，无法测量传输线特性阻抗的虚部。
【发明内容】
本发明的目的在于提供一种传输线特性阻抗的测试方法，以提高传输线特性阻抗测量的准确度，测量传输线实部阻抗和虚部阻抗。
一种传输线特性阻抗的测量方法，将传输线等效为双端网络，将传输线的起点和终端分别连接网络分析仪的前向端口和反向端口，测量传输线的S参数，根据传输线理论和测得的S参数求解传输线特性阻抗。所述求解传输线特性阻抗按照式：
S11＝j(Z/Z0-Z0/Z)Sinθ/[2Cosθ+j(Z/Z0+Z0/Z)Sinθ]和
S21＝2Z*Z0/[2Z*Z0*Cosθ+j(Z*Z+Z0*Z0)Sinθ]求解，其中，Z0为测试系统传输线特性阻抗，为50欧，θ为传输线电长度。
上述传输线结构为表面微带线、或者覆盖阻焊微带线、或者嵌入微带线、或者等距带状线、或者不等距带状线、或者耦合微带线、或者共面波导。
上述方法进一步包括，在电路板外侧增加工艺边，在工艺边上制作与实际使用的传输线结构相同、一定长度的待测传输线。
所述工艺边上制作的待测传输线与电路板中孔的垂直距离大于电波在空气中传播波长的十分之一，工艺边上制作的待测传输线长度大于电波在空气中传播波长的四分之三波长，在待测传输线的起点和终端预留测试接口，并且待测传输线为直线走线或45度角走线。
本发明提供的传输线测量方法，将实际测量与理论算法相结合，实际测量通过网络分析仪直接测量电路板上的S参数，或测量工艺边上的待测传输线的S参数，进行单端测量，或进行双端测量，运用相应的计算获得传输线特性阻抗，从而得到传输线的传输特性与损耗特性。由于本发明是一种频域测量方法，因此可获得传输线特性阻抗的实部阻抗和虚部阻抗，相对于现有技术时域测量方法而言，测量的准确度高。本发明不仅适合于PCB中的射频信号传输线，也适合于同轴电缆等传输线。
【附图说明】
图1为本发明对传输线进行单端测量的原理图，
图2为本发明对传输线进行单端测量以获得传输线特性阻抗的示意图，
图3为实施例1计算传输线特性阻抗流程图，
图4为本发明对传输线进行双端测量的原理图，
图5为本发明对传输线进行双端测量以获得传输线特性阻抗的示意图，
图6为实施例2计算传输线特性阻抗流程图，
图7a～7g为传输线横截面结构图，
图8为传输线与孔的位置关系示意图，
图9为传输线走线示意图。
【具体实施方式】
由于信号波长与传输线长度相比拟或更短时，传输线上的电压、电流不仅是时间函数，而且还是位置函数，必须考虑分布参数的效应，传输线特性阻抗是传输线分布参数的一个表现形式。它的物理意义为传输线上入射波电压与入射波电流之比，或反射波电压与反射电流之比。
当传输线特性阻抗与负载不同时，会产生信号的反射，因此通信系统定义了统一的标准，在所有传输线均采用50欧标准时，就不会产生反射或反射在允许范围内。
本发明将传输线相关参数测量与传输线理论紧密结合，传输线相关参数测量包括传输线输入阻抗测量，传输线S参数测量。传输线理论提供传输线特性阻抗的计算的核心算法，以下结合实施例和附图详细说明。
实施例1
参见图1和图2所示，图1为本发明对传输线进行单端测量的原理图，图2为本发明对传输线进行单端测量以获得传输线特性阻抗的示意图。首先用网络分析仪对前向端口进行单端校准，然后在传输线终端连接50欧匹配负载，测量输入阻抗Zin，电压驻波比VSWR。如果测量的结果电压驻波比VSWR小于1.9，表明传输线的特性阻抗指标达到要求。根据传输线理论已知图1中参考面的输入阻抗Zin表达式如下：
Zin＝Z*(ZL+j*Z*tgβL)/(Z+j*ZL*tgβL)--------式1
其中：ZL为终端负载，按标准为50欧，在广播电视系统中为75欧姆，
Z为传输线特性阻抗，
L为传输线长度，
β为相移常数，β＝2π/λg，λg为电波在传输线上的传输波长，该参数与传输线结构相关，根据PCB的层压介电常数，层压高度，线宽等传输线结构参数，应用相关软件可以计算得出。
从上述公式1中，Zin为测量结果，传输线长度L可以测量，β可以计算，未知参数仅包含Z，从而可求出Z。
上述求解Z可通过传输线特性阻抗软件实现，其软件流程图如图3所示。首先输入测量的输入阻抗Zin以及传输线长度，根据传输线结构及其相关参数，计算相移常数β，然后计算出传输线特性阻抗，并判断传输线特性阻抗是否满足要求。
实施例2
参见图4和图5所示，图4为本发明对传输线进行双端测量的原理图，图5为本发明对传输线进行双端测量以获得传输线特性阻抗的示意图。先用网络分析仪对前向端口即端口1和反向端口即端口2分别进行校准，然后将传输线等效为射频网络，测量网络的S参数，包括S11，S21，S12，S22。其中，S11的物理意义为：当端口2匹配时，待测网络的端口1反射系数，此时端口1激励；S21的物理意义为：当端口1匹配时，待测网络的端口1到端口2的传输系数，此时端口1激励；S22的物理意义为：当端口1匹配时，待测网络端口2的反射系数，此时端口2激励；S12物理意义为：当端口2匹配时，待测网络的端口2到端口1的传输系数，此时端口2激励。由于传输线网络为对称互易网络，因此有S11＝S22；S12＝S21。根据传输线理论及A矩阵到S矩阵的转换有：
S11＝j(Z/Z0-Z0/Z)Sinθ/[2Cosθ+j(Z/Z0+Z0/Z)Sinθ]-----式2
S21＝2Z*Z0/[2Z*Z0*Cosθ+j(Z*Z+Z0*Z0)Sinθ]-------------式3
式2，式3中，Z0为测试系统传输线特性阻抗，在此为50欧；Z为待测试传输线特性阻抗。上两式中仅存在两个未知量：传输线特性阻抗Z；θ传输线电长度；S11，S21为测量结果，通过式2、式3可以计算出传输线特性阻抗Z，传输线电长度θ。上述双端测量方法不需要传输线结构参数，也不需测量传输线长度，即可得出传输线特性阻抗。
上述传输线特性阻抗Z，传输线电长度θ的求解可通过相应的软件进行计算，其流程图如图6所示。
上述实施例1和实施例2中所述的传输线结构可以如图7a～7g所示，图7a～7g为传输线横截面结构图。图7a～7g分别为表面微带线、覆盖阻焊微带线、嵌入微带线、等距带状线、不等距带状线、耦合微带线和共面波导，图中阴影部分为信号线和地线，无阴影的部分为介质层。
本发明提供的测量方法可直接测量PCB板上传输线的特性阻抗，也可在PCB板外侧增加工艺边，在工艺边上制作与实际使用的传输线相同结构的传输线。为保证工艺边上制作的传输线能真实地反映实际使用的传输线特性阻抗，工艺边上制作传输线应满足以下条件：
1.工艺边上的传输线的结构与PCB应用中完全相同，工艺边上的工艺孔、通孔、过孔应远离传输线，如图8所示，工艺边上制作的传输线与孔应有一定距离，工艺边上制作的传输线与孔的垂直距离大于电波在空气中传播波长的十分之一，否则将破坏传输线的电场分布，无法得到正确测试结果；
2.传输线最好为直线，不要弯曲，实在要变换角度，如图9所示，设计为45度角走线，否则导致传输线有较大的发射，将出现测量误差；
3.由于一定长度的传输线才能真实反映其特性阻抗，传输线应具有一定长度，传输线长度必须大于电波在空气中传播波长的3/4波长；
4.工艺边上传输线的起点和终端预留测试接口，如SMA接口、N型接口或Q型接口等等，便于网络分析仪的测量。