PCB传输线电磁波传播分析(反射入射以及TDR).pdf

Pegasus 原创文档 PCB 传输线电磁波传播分析（反射入射以及 TDR ） Pegasus Yu 本文的目的是分析电磁波在 PCB 传输线上时候的电压，电流关系，以及TDR 原理的分析。 以如下的图例来进行说明。传输线用同轴线代替 （便于画图），原理是一样的。 理想情况都是电磁场方向与传播方向垂直的 TEM 波。 图 1 电原理图 上图中 vp1,vp2,vp3 是电压探点。Source1 是理想电压源。50 欧姆电阻表征电 源内阻，与传输线特征阻抗相等。 ㈠ 瞬间电磁波的传播 首先假设电压源输出一个瞬间电平为12V的电压，电磁波会从电源传到终端 电阻。 当电磁波从电源出来到达传输线时，根据传输线理论，vp2对应的位置有6V 的电压。 Z 0 即 vp2 vp1 R +Z s 0 Z0 是传输线特征阻抗，关于特征阻抗的定义以及计算，请参考相关书籍。 R 代表50欧姆电源内阻。 s 电磁波刚到传输线时，会试图在传播到的位置建立 6V 的电压，因此会从电 源拉出电流，在该位置上放置电荷，使得该位置与参考平面间的电压为 6V。从 而在传输线与参考平面间建立电容效应，同时因为有电流出现，会产生磁场，也 就建立了电感效应。这个时候，从电源拉出的电流等于6V的电压除以特征阻抗。 6V 即 I 0.12A 50Ohm 当电磁波继续向前传播，波前在新的位置建立 6V 电压和产生 0.12A 电流， 新的位置的电流来自先前的位置的电荷。而后面没有跟上的电磁波时，先前位置 的电压和电流都变为 0。当有跟上来的电磁波时，先前位置也会建立 6V 电压和 产生0.12A电流，因此，如果是持续不断的电磁波传播，那么会在传输线上一直 2007-10-24 Pegasus 原创文档 有电流流动。 我们假设的瞬间电磁波在传输线上传播时，只有波前位置有电流和电压。也 就是设电磁波的传播速度为 v,传输线上某个位置 a 到靠电源那边的边界距离为 d，电磁波传到传输线该边界的时间点为 0s，那么经过时间 t=d/v 后，a 点和 a 点前面那些位置的电压和电流就为0。 当电磁波传到阻抗不连续点，即电原理图上的负载端。如果负载阻抗与传输 线特征阻抗匹配（实数相等，复数共轭）。则电磁波不会发生反射，负载会获得 6V 的电压，同时获得 0.12A 的电流，电源发出的瞬间电磁波，将能量消耗到电 阻上，从而消失。如果没有负载电阻，把传输线看成半无限长，则6V电压和0.12A 电流会随着电磁波的波前向无限远处传播。因此，负载端为无限长传输线和匹配 电阻是等价的（从出现在负载端的电压和电流的时间点和电压电流值）。 在上面的电原理图上，负载为 50 欧姆就是匹配的，为 100 欧姆就是不匹配 的。这个时候电磁波发生反射。理解反射需要以能量守恒原理为基础，也就是入 射能量，等于前向传播能量和反向传播能量（反射）相加。 从电磁波的角度，当电磁波传播到传输线末端，会探测前面的阻抗是否匹配， 如果匹配，就继续全部能量向前传输。如果不匹配，则在下一个时刻，会留一部 分能量从末端开始反相传播，同时将其余的能量前向传播到终端电阻上。