TDR von Anschlüssen

Beschreibung

Ein Koaxialkabel mit Diskontinuitäten (Abbildung 1) wird mit der Time-Domain Reflectometry (TDR) -Lösung des S-Parameter-Moduls von HFWorks analysiert. Dies erfolgt durch Senden eines Impulssignals durch den Eingangsanschluss des Kabels und Überprüfen der vom anderen Ende des Kabels erzeugten Reflexion. Das abgebildete Kabelmodell besteht aus drei Abschnitten, die durch unterbrochene Übergänge voneinander getrennt sind.

Das TDR-Modul kann die Impedanz über den Ausbreitungsweg des Impulses zwischen den Schleppanschlüssen bestimmen. Der Designer kann dann anhand von TDR-Hintergrundwissen nachvollziehen, wo die Reflexionen auftreten und welche Ursachen sie haben können.

Abbildung 1 - Koaxialkabel mit Unterbrechungen (oben) mit Abmessungen (unten)

Simulation

Durch die Simulation dieses diskontinuierlichen Koaxialkabelabschnitts in einer S-Parameter-Studie in HFWorks können wir sein Verhalten im Frequenzbereich (anhand seiner Streuparameter) sowie seine Reflektometrieeigenschaften im Zeitbereich (anhand der TDR-Simulation unter den Streuparametern) untersuchen Simulationseinstellungen). Das Umschalten der Signalausdrücke in den Zeitbereich von den von FEM im Frequenzbereich ausgegebenen Ausdrücken erfordert eine IFFT für eine Anzahl von Abtastwerten von Frequenzen (mindestens zwei Frequenzen); Daher ist eine TDR-Simulation für eine Einfrequenz-S-Parameter-Simulation in HFWorks nicht zulässig.

In einem ersten Schritt führen wir eine S-Parameter-Simulation der Struktur durch, um eine Vorstellung vom Verhalten der Struktur im Frequenzbereich zu erhalten. Die Ergebnisse der Simulation sind in 3 zu sehen. Der Reflexionskoeffizient S11 erreicht mehr als -25 dB bei 5 GHz. Die Ergebnisse dieser Frequenzbereichsanalyse dienen als Eingabe einer IFFT, bevor die TDR-Analyse ausgeführt wird.

Körper und Materialien

Abbildung 1 zeigt eine dreiteilige Anordnung oder Struktur mit ähnlichen Formen, aber leicht unterschiedlichen Abmessungen und relativen Permittivitäten. Aus diesen Unterschieden entstehen die Diskontinuitäten, die wir suchen. Das vordefinierte Material für diese Blöcke oder Körper hat eine relative Permittivität von 2,1 für den mittleren Teil und 3,5 für den lateralen Teil. Wenn diese Parameter in die Algorithmusberechnungen eingespeist werden, wird das Modell heterogen und es treten somit Diskontinuitäten in den Ausdrücken der elektrischen Parameter (Spannung, Strom, Impedanz, Anregung) auf. Die Darstellungen dieser Ausdrücke sind die Hauptmerkmale für die Untersuchung der internen Struktur eines Übertragungsmodells.

Die Materialien haben alle isotropen Permittivitätstypen. Somit ist der Permittivitätsparameter ein Skalar (für orthotropes Material ist die Permittivität eine 3 × 3-Matrix).

Eingabegrößen

In diesem Beispiel nehmen wir an, dass wir eine reine TEM-Vermehrung haben; daher ist das Kontrollkästchen "Pure TEM" im ersten Port aktiv. Maxwells Gleichungen besagen, dass wir einen zweiten Leiter haben müssen (Signalgrenzbedingung), um die TEM-Ausbreitung in einem Hallow-Wellenleiter (Einzelleiter) zu erhalten. Andernfalls hätten wir die triviale Lösung (null elektrisches Feld) für die Maxwell-Gleichung. Daher weisen wir neben den TEM-Ports eine Signalgrenzbedingung zu. Die Verwendung von Randbedingungen zusammen mit Symmetrie (PECS oder PMCS) verkürzt die Berechnungszeit und erleichtert dem Simulator realistischere Ergebnisse, da der Beitrag der symmetrischen Teile des Modells automatisch berücksichtigt wird. Wenn wir die Richtung des elektrischen Feldes in Bezug auf ein Gesicht oder eine Ebene betrachten, können wir erkennen, ob wir eine magnetische oder elektrische Grenze benötigen.

Vernetzen

Der Mesher von HFWorks berechnet die durchschnittliche Netzelementgröße basierend auf den vom Benutzer festgelegten angewendeten Netzsteuerelementen ("Mesh controls"). Dann wird eine Volumenvernetzung durchgeführt. Die Maschenelemente sind kleiner, wenn wir uns den Oberflächen der Netzsteuerung nähern: in unserem Fall der innere Draht des Koaxialkabels. Wir können auch die Netzwachstumsrate angeben (standardmäßig auf 1,4 eingestellt).

Ergebnisse

Wie bereits am Anfang dieses Berichts erwähnt, verwendet HFWorks den FEM-Solver, mit dem die Lödung der Maxwell-Gleichungen im Frequenzbereich ausgeführt werden. Um die Ausdrücke der reflektierten Wellen zu berechnen, wird eine IFFT auf die verschiedenen Felder der Frequenzdomänenausdrücke angewendet. Diese Ausdrücke dienen zur Berechnung von Impedanz, Spannung und Strom, die am betreffenden Anschluss gemessen werden. Die folgende Abbildung zeigt den S11-Plot im Frequenzbereich von 0,625 GHz bis 5 GHz. Dieses Frequenzfenster sollte groß genug sein, um die IFFT der verschiedenen Signale zu berechnen.

Abbildung 3 -   Reflexionskoeffizient und Einfügungsverlust

Wir können die Verteilung des elektrischen Feldes bei verschiedenen Frequenzen betrachten und sie durch Variation der Omega-T-Phase animieren. In dieser Abbildung zeigen wir zwei Punkte dieser Verteilung in verschiedenen Omega-T-Phasen.

Abbildung 4 - Entfernung zum Fehler mit Impedanzinformationen [1]

Abbildung 5 - Impedanz von Port 1 aus gesehen

[2] legt der Systemauflösung eine Einschränkung auf.

Auffinden von Fehlpaarungen

Für Übertragungsleitungen mit Luftdielektrikum. Für den allgemeinen Fall, wo ist die Dielektrizitätskonstante:

=Ausbreitungsgeschwindigkeit; T=Laufzeit vom Überwachungspunkt bis zur Nichtübereinstimmung und wieder zurück.  

References

[1 ]  Time Domain Reflectometry (TDR) and S-parameters: Advanced Measurements …not only Signal Integrity - July2009

[2 ]  Tektronix, enabling innovation : TDR Impedance Measurements: Foundation for Signal Integrity

[3 ]  Time Domain Reflectometry Theory Application Note 1304-2- Agilent Technologies