傳輸線阻抗匹配的方法

傳輸線簡(jiǎn)介

傳輸線（transmission line）輸送電磁能的線狀結(jié)構(gòu)的設(shè)備。它是電信系統(tǒng)的重要組成部分，用來(lái)把載有信息的電磁波，沿著傳輸線規(guī)定的路由自一點(diǎn)輸送到另一點(diǎn)。

以橫電磁 （TEM）模的方式傳送電能和（或）電信號(hào)的導(dǎo)波結(jié)構(gòu)。傳輸線的特點(diǎn)是其橫向尺寸遠(yuǎn)小于工作波長(zhǎng)。主要結(jié)構(gòu)型式有平行雙導(dǎo)線、平行多導(dǎo)線、同軸線、帶狀線，以及工作于準(zhǔn)TEM模的微帶線等，它們都可借助簡(jiǎn)單的雙導(dǎo)線模型進(jìn)行電路分析。各種傳輸TE模、TM模，或其混合模的波導(dǎo)都可認(rèn)為是廣義的傳輸線。波導(dǎo)中電磁場(chǎng)沿傳播方向的分布規(guī)律與傳輸線上的電壓、電流情形相似，可用等效傳輸線的觀點(diǎn)分析。

傳輸線的特性

傳輸線的均勻性

傳輸導(dǎo)體橫截面的形狀、使用的材料、導(dǎo)體間的間隔和導(dǎo)體周?chē)慕橘|(zhì)，在線路的全部長(zhǎng)度上都保持均勻不變的，稱為均勻傳輸線。否則便 叫做不均勻傳輸線。均勻傳輸線的一次參數(shù)均勻地分 布于整個(gè)傳輸線上，其數(shù)值不隨考察點(diǎn)的位置而變化。

傳輸線在制造和建筑過(guò)程中可能出現(xiàn)的偏差，都規(guī)定有必要的允許范圍。如果出現(xiàn)的不均勻性偏差不 超過(guò)這些規(guī)定，都可以看作是均勻傳輸線。

性能參數(shù)

通常用衰減系數(shù)、相移系數(shù)、特性阻抗，或與之相對(duì)應(yīng)的其它參數(shù)來(lái)描述。其數(shù)值僅與傳輸線的結(jié)構(gòu)、幾何尺寸、制造傳輸線使用的材料、工作波長(zhǎng)（或工作頻率）有關(guān)，見(jiàn)表。

傳輸線阻抗匹配的方法

匹配阻抗的端接有多種方式，包括并聯(lián)終端匹配、串聯(lián)終端匹配、戴維南終端匹配、AC終端匹配、肖特基二極管終端匹配。

1、并聯(lián)終端匹配

并聯(lián)終端匹配是最簡(jiǎn)單的終端匹配技術(shù)，通過(guò)一個(gè)電阻R將傳輸線的末端接到地或者接到VCC上。電阻R的值必須同傳輸線的特征阻抗Z0匹配，以消除信號(hào)的反射。終端匹配到VCC可以提高驅(qū)動(dòng)器的源的驅(qū)動(dòng)能力，而終端匹配到地則可以提高電流的吸收能力。

并聯(lián)終端匹配技術(shù)突出的優(yōu)點(diǎn)就是這種類(lèi)型終端匹配技術(shù)的設(shè)計(jì)和應(yīng)用簡(jiǎn)便易行，在這種終端匹配技術(shù)中僅需要一個(gè)額外的元器件；這種技術(shù)的缺點(diǎn)在于終端匹配電阻會(huì)帶來(lái)直流功率消耗。另外并聯(lián)終端匹配技術(shù)也會(huì)使信號(hào)的邏輯高輸出電平的情況退化。將TTL輸出終端匹配到地會(huì)降低VOH的電平值，從而降低了接收器輸入端對(duì)噪聲的免疫能力。

對(duì)長(zhǎng)走線進(jìn)行并聯(lián)終端匹配后仿真，波形如下：

2、串聯(lián)終端匹配

串聯(lián)終端匹配技術(shù)是在驅(qū)動(dòng)器輸出端和信號(hào)線之間串聯(lián)一個(gè)電阻，是一種源端的終端匹配技術(shù)。驅(qū)動(dòng)器輸出阻抗R0以及電阻R值的和必須同信號(hào)線的特征阻抗Z0匹配。對(duì)于這種類(lèi)型的終端匹配技術(shù)，由于信號(hào)會(huì)在傳輸線、串聯(lián)匹配電阻以及驅(qū)動(dòng)器的阻抗之間實(shí)現(xiàn)信號(hào)電壓的分配，因而加在信號(hào)線上的電壓實(shí)際只有一半的信號(hào)電壓。

而在接收端，由于信號(hào)線阻抗和接收器阻抗的不匹配，通常情況下，接收器的輸入阻抗更高，因而會(huì)導(dǎo)致大約同樣幅度值信號(hào)的反射，稱之為附加的信號(hào)波形。因而接收器會(huì)馬上看到全部的信號(hào)電壓（附加信號(hào)和反射信號(hào)之和），而附加的信號(hào)電壓會(huì)向驅(qū)動(dòng)端傳遞。然而不會(huì)出現(xiàn)進(jìn)一步的信號(hào)反射，這是因?yàn)榇?lián)的匹配電阻在接收器端實(shí)現(xiàn)了反射信號(hào)的終端匹配。

串聯(lián)終端匹配技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是這種匹配技術(shù)僅僅為系統(tǒng)中的每一個(gè)驅(qū)動(dòng)器增加一個(gè)電阻元件，而且相對(duì)于其它的電阻類(lèi)型終端匹配技術(shù)來(lái)說(shuō)，串聯(lián)終端匹配技術(shù)中匹配電阻的功耗是最小的，而且串聯(lián)終端匹配技術(shù)不會(huì)給驅(qū)動(dòng)器增加任何額外的直流負(fù)載，也不會(huì)在信號(hào)線與地之間引入額外的阻抗。

由于許多的驅(qū)動(dòng)器都是非線性的驅(qū)動(dòng)器，驅(qū)動(dòng)器的輸出阻抗隨著器件邏輯狀態(tài)的變化而變化，從而導(dǎo)致串聯(lián)匹配電阻的合理選擇更加復(fù)雜。所以，很難應(yīng)用某一個(gè)簡(jiǎn)單的設(shè)計(jì)公式為串聯(lián)匹配電阻來(lái)選擇一個(gè)最合適的值。

對(duì)長(zhǎng)走線進(jìn)行串聯(lián)終端匹配后仿真，波形如下：

3、戴維南終端匹配

戴維南終端匹配技術(shù)也叫做雙電阻終端匹配技術(shù)，采用兩個(gè)電阻來(lái)實(shí)現(xiàn)終端匹配，R1和R2的并聯(lián)組合要求同信號(hào)線的特征阻抗Z0匹配。R2的作用是幫助驅(qū)動(dòng)器更加容易地到達(dá)邏輯高狀態(tài)，這通過(guò)從VCC向負(fù)載注入電流來(lái)實(shí)現(xiàn)。與此相類(lèi)似，R1的作用是幫助驅(qū)動(dòng)器更加容易地到達(dá)邏輯低狀態(tài)，這通過(guò)R2向地釋放電流來(lái)實(shí)現(xiàn)。

在這種匹配方式下，終端匹配電阻同時(shí)還作為上拉電阻和下拉電阻來(lái)使用，因而提高了系統(tǒng)的噪聲容限。戴維南終端匹配技術(shù)同樣通過(guò)向負(fù)載提供額外的電流從而有效地減輕了驅(qū)動(dòng)器的負(fù)擔(dān)，另外這種終端匹配技術(shù)還能夠有效地抑制信號(hào)過(guò)沖。

戴維南終端匹配的一個(gè)缺點(diǎn)就是無(wú)論邏輯狀態(tài)是高還是低，在VCC到地之間都會(huì)有一個(gè)常量的直流電流存在，因而會(huì)導(dǎo)致終端匹配電阻中有靜態(tài)的直流功耗。這種終端匹配技術(shù)同樣也要求兩個(gè)匹配電阻之間存在一定的比例關(guān)系，同時(shí)也存在額外的到電源和地的線路連接。負(fù)載電容和電阻（Z0、R1和R2的并聯(lián)組合）會(huì)對(duì)信號(hào)的上升時(shí)間產(chǎn)生影響，提升驅(qū)動(dòng)器的輸出電壓。

對(duì)長(zhǎng)走線進(jìn)行戴維南終端匹配后仿真，波形如下：

4、終端匹配

AC終端匹配技術(shù)也稱之為RC終端匹配技術(shù)，由一個(gè)電阻R和一個(gè)電容C組成，電阻R和電容C連接在傳輸線的負(fù)載一端。電阻R的值必須同傳輸線的特征阻抗Z0的值匹配才能消除信號(hào)的反射，電容值的選擇卻十分復(fù)雜，這是因?yàn)殡娙葜堤?huì)導(dǎo)致RC時(shí)間常數(shù)過(guò)小，這樣一來(lái)該RC電路就類(lèi)型于一個(gè)尖銳信號(hào)沿發(fā)生器，從而引入信號(hào)的過(guò)沖與下沖，另一方面，較大的電容值會(huì)帶來(lái)更大的功率消耗。通常情況下，要確保RC時(shí)間常數(shù)大于該傳輸線負(fù)載延時(shí)的兩倍。終端匹配元器件上的功率消耗是頻率、信號(hào)占空比、以及過(guò)去數(shù)據(jù)位模式的函數(shù)。所有這些因素都將影響終端匹配電容的充電和放電特性，從而影響功率消耗。 AC終端匹配技術(shù)的優(yōu)勢(shì)在于終端匹配電容阻隔了直流通路，因此節(jié)省了可觀的功率消耗，同時(shí)恰當(dāng)?shù)剡x取匹配電容的值，可以確保負(fù)載端的信號(hào)波形接近理想的方波，同時(shí)信號(hào)的過(guò)沖與下沖又都很小。

AC終端匹配技術(shù)的一個(gè)缺點(diǎn)是信號(hào)線上的數(shù)據(jù)可能出現(xiàn)時(shí)間上的抖動(dòng)，這主要取決于在此之前的數(shù)據(jù)位模式。舉例來(lái)說(shuō)，一個(gè)較長(zhǎng)的類(lèi)似的位串?dāng)?shù)據(jù)會(huì)導(dǎo)致信號(hào)傳輸線和電容充電到驅(qū)動(dòng)器的最高輸出電平值。然后，如果緊接著的是一個(gè)相位相反的數(shù)據(jù)位就需要花比正常情況更長(zhǎng)的時(shí)間來(lái)確保信號(hào)跨越接收器邏輯閾值電平，這是因?yàn)榻邮掌鞫说碾妷浩鹱砸粋€(gè)很高的電位。

對(duì)長(zhǎng)走線進(jìn)行RC終端匹配后仿真，波形如下

5、肖特基二極管終端匹配

肖特基二極管終端匹配技術(shù)也稱之為二極管終端匹配技術(shù)，由兩個(gè)肖特基二極管組成。傳輸線末端任何的信號(hào)反射，如果導(dǎo)致接收器輸入端上的電壓超過(guò)VCC和二極管的正向偏值電壓，該二極管就會(huì)正向?qū)ㄟB接到VCC上。該二極管導(dǎo)通從而將信號(hào)的過(guò)沖箝位到VCC和二極管的閾值電壓的和上。

同樣連接到地上的二極管也可以將信號(hào)的下沖限制在二極管的正向偏置電壓上。然而該二極管不會(huì)吸收任何的能量，而僅僅只是將能量導(dǎo)向電源或者是地。這種工作方式的結(jié)果是，傳輸線上就會(huì)出現(xiàn)多次的信號(hào)反射。信號(hào)的反射會(huì)逐漸衰減，主要是因?yàn)槟芰繒?huì)通過(guò)二極管在電源和地之間實(shí)現(xiàn)能量的交換，以及傳輸線上的電阻性損耗。能量的損耗限制了信號(hào)反射的幅度，確保信號(hào)的完整性。

不同于傳統(tǒng)的終端匹配技術(shù)，二極管終端匹配技術(shù)的一個(gè)優(yōu)勢(shì)就是，肖特基二極管終端匹配無(wú)須考慮真正意義上的匹配。所以，當(dāng)傳輸線的特征阻抗Z0不清楚時(shí)，比較適合采用這種終端匹配技術(shù)。同時(shí)，在肖特基二極管上的動(dòng)態(tài)導(dǎo)通電阻上消耗的功率遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于任何電阻類(lèi)型終端匹配技術(shù)的功率消耗。事實(shí)上，反射功率的一部分會(huì)通過(guò)正向偏置的二極管反饋回到VCC或者地，同樣也可以在傳輸線上任何可能引發(fā)信號(hào)反射的位置加入肖特基二極管。二極管終端匹配技術(shù)的缺點(diǎn)是多次信號(hào)反射的存在可能會(huì)影響后續(xù)信號(hào)的行為。