频域S参数与时域TDR

频域S参数表现的是无源结构的特性,这个无源结构可以是连接器,可以是过孔,还可以是传输线,S11反映的就是无源结构的反射情况,说到反射,究其原因就是阻抗匹配的问题。说到阻抗匹配,TDR(Time Domain Reflection)也可以确认无源链路的反射情况。实际工作中,也是通过查看频域S参数和时域TDR相互结果,来确认无源链路的相关特征。

频域S参数与时域TDR是等效的,都能反应无源结构的相关特征,只不过从不同角度看待问题。下图为频域S参数和时域TDR等效矩阵:

TDR(Time Domain Reflection)

TDT(Time Domain Transmission)

TDR本质

关于无源结构的阻抗测试,可以通过VNA先测得S参数,然后通过S参数的傅里叶反变换得到,也可以直接由TDR时域去测得。

TDR设备简单的模型如下图,是由一个阶跃信号的激励,通过线缆连接并注入到测试设备DUT上去。这里的源阻抗50ohm,cable的特性阻抗一般为50ohm。然后TDR内部采集A点的电压,最后得到测试设备DUT的TDR曲线。

根据公式计算出来和仿真得出的阻抗曲线是一致的。

这里面需要注意的是,其实,TDR测的是信号进入无源结构的反射情况,然后内部换算,得到阻抗。TDR的阻抗波形和信号反射波是一样的,如下图所示:

多次反射的情况

产品的实际链路会存在多种阻抗突变,简单对比存在一次阻抗突变和两次阻抗突变的情况,来了解多次反射对阻抗的影响。

无源链路中存在多次反射和只反射一次相同测试点的阻抗会存在不同,这是因为多次反射的波形,会在链路里来回振荡,再次会叠加在之前的波形上,造成这两者之间结果的偏差。

这种偏差是存在条件的,取决于两个阻抗突变的距离以及信号的上升时间。

上升时间对TDR的影响

搭建相关电路,仿真不同上升时间对阻抗的影响,相关的结果如下图:

Tr时间和信号来回时延的时间相同,这是仿真得出的阻抗值和实际相符;Tr时间大于信号来回时延的时间,这时候仿真得出的阻抗和实际阻抗是不相符的,准确地说是小于实际阻抗值。以本例来说,信号遇到60 ohm先产生一个正反射波,500 psec又接收到一个负反射波,这时候信号还没达到实际阻抗值,还在上升过程中就到负反射波,将其阻抗拉到实际值以下。

以上的仿真说明:Tr的设置对阻抗仿真结果是有影响的。在实际工作中,我们在用仿真工具对信号TDR进行仿真时,就需要关注Tr的设置,这个设置值有的IP厂商的会在相关文档里进行说明,如果没有,就需要我们在设置要注意这一点。

S参数和TDT的不同

S31/S41近端和远端串扰可以看出整个无源结构频域串扰的大小情况。

T31/T41可以更直观看到串扰的时间,往返时间1ns,这样就可以预估串扰在实际设计中的大概区域。

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