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传输线理论及信号完整性分析

信号完整性分析（Signal Integrity） SI的四种分析、描述手段和途径
传输线理论
多长的走线才是传输线？这和信号的传播速度有关，在FR4板材上铜线条中信号速度为6in/ns。简单的说，只要信号在走线上的往返时间大于信号的上升时间，PCB上的走线就应当做传输线来处理。对于传输时间<信号上升时间的线路，由于对信号的影响微乎其微，所以在此不做讨论。假设有一段60英寸长的PCB走线，如图1所示，返回路径是 PCB板内层靠近信号线的地平面，信号线和地平面间在远端开路。在这段走线上加一个上升时间为1ns的信号，在最初的1ns 时间，信号在线条上还是走了6英寸。
*这个很容易理解，线之间的间距大，其分布电容电感之间的影响就小，电磁场耦合也会变小
2.在满足阻抗要求的情况下，应该使传输线和参考平面间的距离越小越好（减小H）。这样做会让传输线和参考平面更紧密的耦合，减少临近线的干扰 3.对于关键信号（例如时钟信号）用差分走线，如果系统设计允许的话
*差分信号的共模抑制好，能有效的抑制临近线的干扰。但是很多时候系统设计就是单端模式。 *设计中要尽量减小H，但也不是无限制的，还受到制造工艺的限制。
传输线理论与
信号完整性分析
一、传输线理论
§1.什么是传输线
什么是传输线呢？任何2个有长度的导体就是传输线，如下图所示。对于传输线，要彻底忘记“地”的概念，所谓的地不过是信号的返回路径。所以传输线就是由信号路径和其返回路径构成的.
信号在传输线上的传播速度到底是多少呢？假定传输线介质的介电常数为4.空气中信号的速度为 3000, 000km每秒，即30cm/nsec.那么在介质中的速度就为 :
信号完整性分析（Signal Integrity）

传输线及S参数-PPT

11
反射系数 (reflection coefficient)
反射系数：传输线上任意一点处的反射波电压（或电流）与入射波电压（或电流）之比，即
(z) U r (z) Ir (z) Ui (z) Ii (z)
对无耗传输线 j ，终端负载为Zl，则
(z)
A2e jz A1e jz
Zl Zl
21
散射参量(S)
实际的射频系统不能采用终端开路(电容效应)或短路(电感效应)的测量方
法，另外终端的不连续性将导致有害的电压电流波反射，并产生可能造成器
件损坏的振荡。
S 参量的定义
a1 b1
S
a2 b2
定义归一化入射电压波：an
Vn 2
Z0In Z0
定义归一化反射电压波：bn
Vn 2
Z0In Z0
+ -
v3
iN-1 N-1端口+- vN-1
其中
阻抗
Znm
矩阵
多端口网络
vn i ik 0
m
i2 v2
+ -
2
端口
i4 v4
+ -
4
端口
iN vN
+- N
端口
for k m 19
同理：
i1 i2
Y11 Y21
iN YN1
Y12 Y22
YN 2
Y1N v1
Y2
N
相加：Vn an bn Z0 相减：In an bn / Z0
：
an Vn /
Z0
， I
n
Z0
bn Vn /
Z0
I
n
Z0
参量：

《传输线理论》课件

阻抗特性
传输线的阻抗决定信号的匹配和功率传递效率，常见的阻抗包括50欧姆和75 欧姆。
传输线上的信号传输
传输线上的信号反射和干扰是常见问题，可通过消除信号反射和合理终止传输线来解决。消除信号反射的方法包括使用终端电阻、滤波器和匹配网络。
传输线的调谐
传输线的等效电路模型
传输线可用电路模型表示，包括传输线的电感、电容和电阻。
传输线用于计算机网络中的局域网和广域网等数据传输。
总结
1 传输线理论的重要性
传输线理论为电磁信号传输提供了基础理论和实践指导。
2 相关应用领域
传输线广泛应用于通信、雷达、计算机网络等领域。
3 发展趋势及未来展望
随着技术的发展，传输线将继续演进，以满足不断增长的通信需求。
什么是传输线
传输线是传输电磁信号的导体或介质，通常由金属导线、光纤或空气等构成。传输线可分为平行线、同轴电缆、光纤等多种类型。
传输线的特性
衰减特性
传输线上信号强度随距离递减，衰减特性决定信号传输的距离和质量。
相位特性
传输线上的信号会因电磁波传播速度不同而引起相位变化，影响信号的时间同步。
《传输线理论》PPT课件
# 传输线理论什么是传输线？传输线的定义和分类。传输线的特性，包括衰减特性、相位特性和阻抗特性。如何在传输线上进行信号传输？反射与干扰，消除信号反射，传输线的终止方式。传输线的调谐，包括等效电路模型、调谐方法和在通信系统中的应用。传输线在通信系统、雷达系统和计算机网络中的应用。总结传输线理论的重要性，相关应用领域，发展趋势及未来展望。
传输线的调谐方法
通过调节传输线的电性能参数来实现传输线的谐振和优化信号传输。

传输线理论ppt课件

i(z,t) z
Gl v(z,t) Cl
v(z,t) t
15
2）时谐均匀传输线方程
精选ppt课件
a）时谐传输线方程电压和电流随时间作正弦变化或时谐变化，则电压电流的瞬时值可用复数来表示：
v (z,t) V 0c o s(t v(z)) R eV 0 ejtejv(z) R eV (z)ejt i(z,t) I0c o s(t I(z)) R eI0 ejtejI(z) R eI(z)ejt
如传输线上无损耗，则为无耗传输线。即R=0, G=0。
有耗线
无耗线
11
精选ppt课件
对于铜材料的同轴线（0.8cm—2cm），其所填充介质为
r 2 .5 ,
则其各分布参数为：
1 8 0 S/m
Rl 0.32 10 2 / m Ll 1.83 10 7 H / m C l 0.15 10 9 F / m G l 6.8 10 8 S / m
第二章传输线理论
精选ppt课件
§2.1 传输线方程 §2.2 传输线上的基本传输特性 §2.3 无耗线工作状态分析 §2.4 有耗线 §2.5 史密斯圆图 §2.6 阻抗匹配
1
§2.1 传输线方程
精选ppt课件
传输线传输高频或微波能量的装置
(Transmission line)
天线
源
传输线
源
终端
2Z0
2Z0
23
精选ppt课件
令d = l - z，d为由终点算起的坐标，则线上任一点上有
V(d) VL Z0IL ed VL Z0IL ed
2
2
I(d) VL Z0IL ed VL Z0IL ed
2Z0

《微波传输线》课件

网、云计算等领域提供更好的技术支持。
环境影响与可持续发展
总结词
环境影响与可持续发展是微波传输线发展中必须考虑的问题，需要采取有效措施降低对环境的影响。
详细描述
随着人们对环境保护意识的提高，微波传输线在发展过程中必须考虑其对环境的影响。在材料选择、生产制造、使用过程中，需要采取环保措施，减少对环境的污染和破坏。同时，为了实现可持续发展，还需要积极探索可再生能源的应用，如太阳能、风能等，以降低能源消耗和碳排放量，为构建绿色、低碳的未来做出贡献。
缺点
尺寸较大，不易实现小型化和集成化。
圆波导
结构特点
由一个金属圆筒和两个金属封盖构成，传输TEM模的电磁波。
应用场景
主要用于微波测量和某些特殊应用。
优点
具有低损耗、高带宽和良好的屏蔽性能。
缺点
尺寸较大，不易实现小型化和集成化，且加工难度较高。
光纤
结构特点
由石英或塑料制成的纤芯和包层组成，传输光波。
《微波传输线》PPT课件
目录
• 微波传输线概述 • 微波传输线的种类与结构 • 微波传输线的传输特性 • 微波传输线的应用场景 • 微波传输线的设计与优化 • 微波传输线的未来发展与挑战
01
微波传输线概述
定义与特点
定义
微波传输线是指用来传输微波信号的导波结构，通常由金属导体（如铜、铝等）构成。
06
微波传输线的未来发展与挑战
新材料的应用
总结词
新材料的应用是微波传输线领域的重要发展方向，有助于提高传输性能和降低成本。
详细描述
随着科技的不断发展，新型材料如碳纳米管、石墨烯等在微波传输线中的应用逐渐受到关注。这些新材料具有优异的电性能和机械强度，可以替代传统的铜线材料，降低传输损耗，提高传输速度，同时也有助于减轻线缆重量和减小线缆尺寸，为未来的通信和航

波导传输线理论课件

以及实现多功能化设计。
新型材料与工艺在波导传输线中的应用
要点一
新材料
要点二
新工艺
采用新型材料如碳纳米管、石墨烯等可以改善波导传输线的性能，提高传输效率、减小损耗等。未来需要研究如何实现新材料在波导传输线中的稳定制备和性能优化。
采用新型工艺如纳米压印、微纳加工等可以减小波导传输线的尺寸、降低成本，提高集成度。未来需要研究如何实现新工艺的稳定性和可重复性，以及在波导传输线制作中的广泛应用。
矩形波导具有全封闭的结构，能够提供良好的电磁场隔离，减少外部干扰和辐射损耗。
在矩形波导中，电磁波的能量主要集中在波导内部，传输过程中能量损失较小。此外，矩形波导的截止频率和传播常数等参数可以通过调节其尺寸来控制。
圆波导
总结词
圆波导是一种特殊类型的波导，其横截面呈圆形。
总结词
圆波导的优点在于其封闭性和均匀性，能够提供较好的电磁场隔离和传输稳定性。
波导传输线理论课件
目录
PART 01
波导传输线概述
定义与特点
定义
波导传输线是一种用于传输电磁波的结构，通常由两个平行的金属板或导电壁构成。
特点
具有定向传播电磁波的特性，能够控制电磁波的传播方向和模式，常用于微波和毫米波频段的信号传输和能量传输。
波导传输线的历史与发展
历史
波导传输线最早可以追溯到19世纪末，随着无线电和雷达技术的发展，波导传输线逐渐得到广泛应用。
• 总结词：光纤波导的优点在于其传输速度快、带宽大、抗电磁干扰性能好和保密性强。 • 详细描述：光纤波导的尺寸通常用纤芯直径d来表示，其截止频率和传播常数等参数与纤芯直径、折射率和涂覆层厚度有关。在某些应用中，光纤波导还可以通过弯曲来改变传输方向。

电缆电视系统的传输线(馈线)课件

馈线的发展趋势
高频谱效率
01
随着广播电视信号向更高频率发展，馈线系统需要更高的频谱
效率以满足传输需求。
智能化管理
02
馈线系统将逐渐实现智能化管理，通过远程监控和自动化控制
提高运营效率。
环保材料
03
为了降低对环境的影响，馈线系统将更多地采用环保材料，如
可回收的塑料和金属。
馈线的未来展望
5G技术的融合
电缆电视系统的传输线(馈线)课件
目录
• 馈线的定义与作用 • 馈线的结构与特性 • 馈线的选择与安装 • 馈线故障分析与排除 • 馈线的发展趋势与展望
01
馈线的定义与作用
馈线的定义
01
馈线是电缆电视系统中用于传输信号的线路，通常采用同轴电缆或光纤等传输介质。
02
馈线的主要功能是传输信号，将信号从前端传输到终端设备，确保电视信号的稳定传输和接收。
绝缘材料
常用的绝缘材料有聚乙烯、聚氯乙烯等，它们起着支撑内、外导体并保持其电气隔离的作用。
屏蔽层
屏蔽层通常由金属编织网或金属箔构成，用于减少电磁干扰和信号泄漏。
馈线的特性
阻抗
传输距离
馈线的阻抗通常为50欧姆，这是为了与电视接收机的输入阻抗相匹配，确保信号传输的稳定性。
馈线的传输距离受到信号衰减和失真的限制，不同规格的馈线有不同的传输距离要求。
源和障碍物。
安装固定
采用适当的固定方式，确保馈线的稳定性和安全性，防止因振动
、风等因素导致的损坏。
连接设备
将馈线与电视接收设备、信号源等正确连接，确保信号传输的稳
定性和可靠性。
馈线的维护与保养
检查外观

电磁场课件-第三章微带传输线

导波速度
在微带线中，导波速度受到介质和导体材料的影响，不同材料的微带线具有不同的导波速度。
传播常数与衰减
传播常数
传播常数是描述电磁波在传输线中传播特性的参数，包括相位常数和衰减常数。
衰减
在微带线中，电磁波会因为介质和导体材料的损耗而发生衰减，衰减的大小与传输线的长度和频率有关。
04 微带线的传输模式
降低介质损耗的方法包括选择低损耗的介质材料、降低介质温度和减小电场强度等。
色散特性
色散是指不同频率的信号在传输过程中具有不同的相速度和群速度的现象。在微带线中，色散主要与介质的介电常数和电导率等因素有关。
了解色散特性对于设计高性能的微带线系统和避免信号失真非常重要。通过优化微带线的结构和参数，可以减小色散效应，提高信号传输质量。
03 微带传输线的电气特性
电场分布
电场分布特点
在微带线中，电场主要分布在导体和介质之间，而导体内部电场强度较小。
电场分布与传输模式
电场的分布与传输模式有关，例如在准TEM模式下，电场主要分布在导体两侧，而在其他模式下，电场分布可能更加复杂。
阻抗与导波速度
阻抗计算
微带线的阻抗可以通过其几何尺寸和介质参数计算得出，阻抗值与传输线的特性阻抗有关。
微带线的宽度通常在几毫米到几十毫米之间，根据传输信号的频率和介质基片的电气性能来选择合适的宽度。
厚度
微带线的厚度通常在几微米到几百微米之间，较薄的介质基片可以减小线路的介质损耗，提高传输效率。
介质基片
种类
常用的介质基片有氧化铝、陶瓷、聚四氟乙烯等，根据应用场景和性能要求选择合适的介质基片。
响。
应用场景
01
02
03

第八章传输线理论ppt课件

(z) (z)
,
i (z)
Ir (z) Ii (z)
(z)
通常将电压反射系数简称为反射系数，
并记做Γ（z）。反射系数越大，传输线
上“波”的起伏越大。
36
第三章
( z) U r ( z) Z L Zc e j2 Ui(z) ZL Zc
(0) L
L
ZL Zc ZL Zc
L e jL
37
第三章
场问题分布参数等效电路传输线方程线上U、I变化规律分析传输特性
分布参数是指：在高频工作时，传输线上沿线各处都显著存在电感、电容以及电阻和漏电导。以平行双线为例：
4
第三章
线上电流 I产生磁通Φ，Φ/I＝L，可见线上存在电感效应；两导线间存在V，由于C＝ Q/V，可知有电容效应；此外，线上还存在损耗电阻和漏电导。这些参数在传输线上是沿线分布的，故称为分布参数。如果分布参数是沿线均匀的，则称该传输线为均匀传输线。
5
第三章
有了分布参数的概念之后，就可
将均匀传输线划分为许多无限小线段Δz ( Δz«λ),则每一个小线元可看成集总参数电路，其上有：
电阻 R Δz、电感L Δz、
电容C Δz 、漏电导G Δz。
L z R z
C
z
G z
z
6
第三章
其中： L－单位长度来回导线上的电感 R－单位长度来回导线上的电阻 C－单位长度来回导线间的电容 G－单位长度来回导线间漏电导
Zin
U(z) I (z)
UL cosz jILzc sin z IL cosz jUL zc sin z
分子分母同时除以 I L和cosz ，得
33

传输线理论详解ppt课件

➢ 对于纵向问题，都是沿轴线方向把电磁波的能量从一处传向另一处。因此，尽管传输线类型不同，但都可以用相同的物理量来加以描述。即可以用一个等效的简单传输线(如双导线或同轴线)来描述。
.
4传输线理论的内容
➢ 简单传输线的纵向问题，
可以用场的方法来分析：根据边界和初始条件求电磁场波动方程的解，得出电磁场随时间和空间的变化规律；
A1ez
A2ez
特性阻抗
Z0
R jL G jC
u(z,t)A 1ezco tszA 2ezco tsz
i(z,t)Z A 1 0e zc
o tszA 2e zc
Z0
o tsz
解的物理含义：传输线上电流、电压以波的形式传播；存在朝相反方向传播的波
.
28
第一部分 U(z,t),I(z,t)
计及 JE
I JS Er02
同时考虑Ohm定律
V Edl
R0V IE E d rl02lr025.81071(2103)2
1.37103/m
代入铜材料 5.8107
.
微波传输线当频率升高出现的第一个问题是导体的集肤效应 (Skin Effect)。导体的电流、电荷和场都集中在导体表面
型的组合和发展。
.
2 对传输线的基本要求
➢ 工作频带宽(或满足一定的要求)；功率容量大(或满足一定的要求)；工作稳定性好；损耗小；尺寸小和成本低等。
➢ 实际应用中，从减少损耗和结构工艺上的可实现性等方面来考虑：在米波或分米波中的低频段范围内，可采用双导线或同轴线；在厘米波范围内可采用空心金属波导管以及带状线和微带线等；在毫米波范围可采用空心金属波导管、介质波导、介质镜像线和微带线；在光频波段则采用光波导(光纤)。

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1.37 103 / m
代入铜材料 s 5.8 107
77 第八章微波传输线
二、微波传输线
当频率升高出现的第一个问题是导体的集肤效应
(Skin Effect)。导体的电流、电荷和场都集中在导体
表面
［例 2 ］研究 f=10GHz=1010Hz 、 l=3cm 、
r0=2mm导线的线耗R，
33 第八章微波传输线
主要内容
8.1 低频传输线与微波传输线 8.2 无耗传输线方程 8.3 无耗传输线的基本特性 8.4 均匀无耗传输线工作状态 8.5 阻抗圆图及其应用 8.6 传输线的阻抗匹配
44 第八章微波传输线
8.1 低频传输线和微波传输线
低频电路有很多课程，唯独没有传输线课程。理由很简单：只有两根线有什么理论可言？这里却要深入研究这个问题。
一、低频传输线
在低频中，我们中要研究一条线(因为另一条线是作为回路出现的)。电流几乎均匀地分布在导线内。电流和电荷可等效地集中在轴线上。
由分析可知，Poynting矢量集中在导体内部传播，外部极少。事实上，对于低频，我们只须用I，V和
55 第八章微波传输线
Ohm定律解决即可，无须用电磁理论。不论导线怎样弯曲，能流都在导体内部和表面附近。(这是因为场的平方反比定律)。
2s
E0ear0
1 a
r0 0
rdear
2s
E0ear0
1 a
rear
r0 0
ear
dr
2s
E0
1 a
r0
1 a2
1 a2
e ar0
计及在微波波段中， 1/是a 一阶小量，对于 1/及a2以上量完全可以忽略。则
I 2s E0r0
而 R E0l l
I 2 r0s
99
第八章微波传输线
和直流的同样情况比较
s 5.08 107
0.066 / f , 若f = 1010 Hz, 0.66 106
s 3.8310
R
2
2
1 103
3.83 10
2.07
/m
从直流到1010Hz，损耗要增加1500倍。
R r0 1.515 103 R0 2
第八章微波传输线
10 10
r0
Re
I
( z )e
jt
(2-3)
第八章微波传输线
15 15
双导线和同轴线的分布参数
第八章微波传输线
16 16
8.2 无耗传输线方程及其解
传输线方程也称电报方程。在沟通大西洋电缆(海底电缆)时，开尔芬首先发现了长线效应：电报信号的反射、传输都与低频有很大的不同。经过仔细研究，才知道当线长与波长可比拟或超过波长时，我们必须计及其波动性，这时传输线也称长线。为了研究无限长传输线的支配方程，定义电压u 和电流 i 均是距离和时间的函数，即
J ,r
＋
E=2
J s
S
V
Et
E1 H
－
低频传输线
66
第八章微波传输线
［例1］计算半径r0=2mm=2×10-3m的铜导线单
位长度的直流线耗R0
计及
J sE
I JS s E r02
V Edl
同时考虑Ohm定律
R0
V I
Edl
s E r02
l
s r02
1
5.8 107 (2 103)2
第八章微波传输线
13 13
这时，使我们更加明确了Guide Line 的含义，导线只是起到引导的作用，而实际上传输的是周围空间 (Space)(但是，没有Guide Line又不行)。D和d是特征尺寸，对于传输线性质十分重要。
J
传
H
D
S
输空间
E
d
J
双导线
14 14
第八章微波传输线
三、常见传输线
r0
直线电流均匀分布
微波集肤效应
损耗是传输线的重要指标，如果要将 r0 ，r 使损耗与直流保持相同，易算出
1
r
3.03 m
2sR0
11 11
第八章微波传输线
也即直径是d=6.06 m。这种情况，已不能称为微波传输线，而应称之为微波传输“柱”比较合适，其粗度超过人民大会堂的主柱。2米高的实心微波传输铜柱约514吨重(铜比重是8.9T/m3)，按我国古典名著《西游记》记载：孙悟空所得的金箍棒是东海龙王水晶宫的定海神针，重10万8千斤，即54吨。而这里的微波柱是514吨，约9根金箍棒的重量，估计孙悟空是无法拿动的!
这种情况下，J
J ea(r0r ) 0
其中,J0是r 的r0表面电流密度，a是衰线常数。对于良
导体，由电磁场理论可知
s 1
2
—— 称之为集肤深度。
88 第八章微波传输线
I Jds J0ea(r0r)ds s E0 ea(r0r)rdrd
I 2s E0ear0
r0 0
reardr
Ri(
z,t)
L
i(z,
t
t)
z
i(
z
z, t )
i(
z,
t)
Gu(
z,
t)
C
u(
z, t
t)
ห้องสมุดไป่ตู้
z
式(2-1)是均匀传输线方程或电报方程。
第八章微波传输线
(2-1) (2-2)
19 19
如果我们着重研究时谐(正弦或余弦)的变化情况，有
u(z, t) Re U (z)e jt
i( z,
t)
集肤效应带来的第二个直接效果是：
柱内部几乎无物，并无能量传输。
第八章微波传输线
12 12
看来，微波传输线必须走自己的路。每一种事物都有自己独特的本质，硬把不适合的情况强加给它，必然会出现荒唐的结论。刚才讨论的例子正是因为我们硬设想把微波“关在”铜导线内传播。
最简单而实用的微波传输线是双导线，它们与低频传输线有着本质的不同：功率是通过双导线之间的空间传输的。
u u(z, t) i i(z, t)
17 17 第八章微波传输线
长线效应
i(z)
i(z+ z)
u(z)
u(z+ z)
z
z+ z
Lz
Rz
Cz
Gz
第八章微波传输线
18 18
一、传输线方程
利用Kirchhoff 定律，有
u
z
Ri
L
i t
i z
Gu
C
u t
当典型Δz→0时，有
u(
z
z,
t)
u(z,t)
传输线讲解
11 第八章微波传输线
第八章传输线理论
在讨论微波基本概念时，曾指出了工程中所关心的微波传输问题。微波传输的最明显特征是别树一帜的微波传输线，例如，双导线、同轴线、带线和微带等等。我们很容易提出一个问题：微波传输线为什么不采用50周市电明线呢?
22 第八章微波传输线
作业
《电磁场与电磁波》 P221： 8.20, 8.21，8.24, 8.25 《电磁场微波技术与天线》 P72. 2-5 P73. 2-7