特征阻抗
關(guān)注創(chuàng)建者：光芯片高頻實(shí)驗(yàn)室 創(chuàng)建時間：2019-08-06
特征阻抗的視頻教程
ANSYS高頻電磁仿真中仿真?zhèn)鬏斁€特征阻抗的三種方法
ANSYS高頻電磁仿真中仿真?zhèn)鬏斁€特性阻抗的三種方法： 1、傳統(tǒng)的driver terminal+插值法寬帶掃描； 2、Q2D提取傳輸線結(jié)構(gòu)的橫截面； 3、HFSS transient，使用瞬態(tài)求解器的TDR功能
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特征阻抗的實(shí)例教程
使用Q2D分析影響差分線特征阻抗的因素 ￥0.5
或者說有哪些因素會影響到差分線的特征阻抗？
對于均勻（橫截面相同、介質(zhì)材料的電特性固定）的傳輸線來說，在不考慮損耗（含介質(zhì)損耗和導(dǎo)體損耗）的情況下，其特征阻抗可用公式來計算。大家如果能緊緊抓住這個公式，分清楚哪些因素會影響寄生電感L、哪些因素會影響寄生電容C，那么差分阻抗的問題就一目了然， 比如介電常數(shù)肯定影響的是電容C，介電常數(shù)越大，電容越大，那么特征阻抗就會減小。
先來看一個用polar SI9000計算的差分特征阻抗截圖，當(dāng)前計算的差分阻抗為100.67ohm，其中影響特征阻抗的因素有9個，各參數(shù)對L和C分別有啥影響？大家如果不是很清楚，可以借助了ANSYS Q2D軟件來進(jìn)行分析。
Q2D軟件為二維準(zhǔn)靜態(tài)場求解器，主要用來提取橫截面均勻的傳輸線（不限于傳輸線，在較短的長度范圍內(nèi)，如果結(jié)構(gòu)的橫截面不變化，同樣可以用Q2D來確定該小段的特性阻抗）的RLGC寄生參數(shù)和特性阻抗等，操作非常簡單，也注定Q2D的功能也相對單一些。
展開 有時阻抗不匹配還有另外一層意思，例如一些儀器輸出端是在特定的負(fù)載條件下設(shè)計的，如果負(fù)載條件改變了，則可能達(dá)不到原來的性能，這時我們也會叫做阻抗失配。
在高頻電路中，我們還必須考慮反射的問題。當(dāng)信號的頻率很高時，則信號的波長就很短，當(dāng)波長短得跟傳輸線長度可以比擬時，反射信號疊加在原信號上將會改變原信號的形狀。如果傳輸線的特征阻抗跟負(fù)載阻抗不相等（即不匹配）時，在負(fù)載端就會產(chǎn)生反射。為什么阻抗不匹配時會產(chǎn)生反射以及特征阻抗的求解方法，牽涉到二階偏微分方程的求解，在這里我們不細(xì)說了，有興趣的可參看電磁場與微波方面書籍中的傳輸線理論。傳輸線的特征阻抗（也叫做特性阻抗）是由傳輸線的結(jié)構(gòu)以及材料決定的，而與傳輸線的長度，以及信號的幅度、頻率等均無關(guān)。
實(shí)際中是如何解決這個問題的呢？不知道大家有沒有留意到，電視機(jī)的附件中，有一個300Ω到75Ω的阻抗轉(zhuǎn)換器（一個塑料封裝的，一端有一個圓形的插頭的那個東東，大概有兩個大拇指那么大）。它里面其實(shí)就是一個傳輸線變壓器，將300Ω的阻抗，變換成75Ω的，這樣就可以匹配起來了。這里需要強(qiáng)調(diào)一點(diǎn)的是，特性阻抗跟我們通常理解的電阻不是一個概念，它與傳輸線的長度無關(guān)，也不能通過使用歐姆表來測量。影響特征電阻的因素有很多，比如倒顯得材料和導(dǎo)線與地板之間的距離。為了不產(chǎn)生反射，負(fù)載阻抗跟傳輸線的特征阻抗應(yīng)該相等，這就是傳輸線的阻抗匹配，如果阻抗不匹配會有什么不良后果呢？如果不匹配，則會形成反射，能量傳遞不過去，降低效率；會在傳輸線上形成駐波（簡單的理解，就是有些地方信號強(qiáng)，有些地方信號弱），導(dǎo)致傳輸線的有效功率容量降低；功率發(fā)射不出去，甚至?xí)p壞發(fā)射設(shè)備。如果是電路板上的高速信號線與負(fù)載阻抗不匹配時，會產(chǎn)生震蕩，輻射干擾等。
當(dāng)阻抗不匹配時，有哪些辦法讓它匹配呢？
展開 什么是阻抗？在電學(xué)中，常把對電路中電流所起的阻礙作用叫做阻抗。阻抗單位為歐姆，常用Z表示，是一個復(fù)數(shù)Z= R+i( ωL–1/（ωC）)。具體說來阻抗可分為兩個部分，電阻（實(shí)部）和電抗（虛部）。其中電抗又包括容抗和感抗，由電容引起的電流阻礙稱為容抗，由電感引起的電流阻礙稱為感抗。這里的阻抗是指Z的模。
任何一根線纜的特征阻抗都可以通過實(shí)驗(yàn)的方式得出。線纜的一端接方波發(fā)生器，另一端接一個可調(diào)電阻，并通過示波器觀察電阻上的波形。調(diào)整電阻阻值的大小，直到電阻上的信號是一個良好的無振鈴的方波:阻抗匹配與信號完整性，此時的電阻值可以認(rèn)為與線纜的特征阻抗一致。
采用兩根汽車使用的典型線纜，將它們扭制成雙絞線，就可根據(jù)上述方法得到特征阻抗大約為120Ω，這也是CAN標(biāo)準(zhǔn)推薦的終端電阻阻值，所以這個120Ω是測出來的，不是算出來的，都是根據(jù)實(shí)際的線束特性進(jìn)行計算得到的。當(dāng)然在ISO 11898-2這個標(biāo)準(zhǔn)里面也是有定義的。
為什么功率還要選0.25W？
這個就要結(jié)合一些故障狀態(tài)也計算，汽車ECU的所有接口都需要考慮短路到電源和短路到地的情況，所以我們也需要考慮CAN總線的節(jié)點(diǎn)短路到電源的情況，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)需要考慮短路到18V的情況，假設(shè)CANH短路到18V，電流會通過終端電阻流到CANL上，而CANL內(nèi)部由于限流的原因，最大注入電流為50mA（TJA1145的規(guī)格書上標(biāo)注），這時候120Ω電阻的功率就是50mA*50mA*120Ω=0.3W。考慮到高溫情況下的降額，終端電阻的功率就是0.5W。
展開 三、提高信號質(zhì)量
信號在較高的轉(zhuǎn)換速率情況下，信號邊沿能量遇到阻抗不匹配時，會產(chǎn)生信號反射；傳輸線纜橫截面的幾何結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，線纜的特征阻抗會隨之變化，也會造成反射。
能量發(fā)生反射時，導(dǎo)致反射的波形與原來的波形進(jìn)行疊加，就會產(chǎn)生振鈴。
在總線線纜的末端，阻抗急劇變化導(dǎo)致信號邊沿能量反射，總線信號上會產(chǎn)生振鈴，若振鈴幅度過大，就會影響通信質(zhì)量。在線纜末端增加一個與線纜特征阻抗一致的終端電阻，可以將這部分能量吸收，避免振鈴的產(chǎn)生。
別人進(jìn)行了一個模擬試驗(yàn)（圖片都是我抄過來的），位速率為1Mbit/s，收發(fā)器CANH、CANL接一根10m左右的雙絞線，收發(fā)器端接120Ω電阻保證隱性轉(zhuǎn)換時間，末端不加負(fù)載。末端信號波形如圖所示，信號上升沿出現(xiàn)了振鈴。
若雙絞線末端增加一個120Ω的電阻，末端信號波形明顯改善，振鈴消失。
一般在直線型拓?fù)渲校€纜兩端即是發(fā)送端，也是接收端，故線纜兩端需各加一個終端電阻。
而在實(shí)際應(yīng)用過程中，CAN總線一般都不是完美的總線式的設(shè)計，很多時候是總線型和星型的混合結(jié)構(gòu)，這個時候一般都將CAN終端電阻布置在線束最遠(yuǎn)的兩端，來盡量的模擬CAN總線的標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)。
為什么選120Ω？
什么是阻抗？在電學(xué)中，常把對電路中電流所起的阻礙作用叫做阻抗。阻抗單位為歐姆，常用Z表示，是一個復(fù)數(shù)Z= R+i( ωL–1/（ωC）)。具體說來阻抗可分為兩個部分，電阻（實(shí)部）和電抗（虛部）。其中電抗又包括容抗和感抗，由電容引起的電流阻礙稱為容抗，由電感引起的電流阻礙稱為感抗。這里的阻抗是指Z的模。
任何一根線纜的特征阻抗都可以通過實(shí)驗(yàn)的方式得出。線纜的一端接方波發(fā)生器，另一端接一個可調(diào)電阻，并通過示波器觀察電阻上的波形。
展開 什么是阻抗？在電學(xué)中，常把對電路中電流所起的阻礙作用叫做阻抗。阻抗單位為歐姆，常用Z表示，是一個復(fù)數(shù)Z= R+i( ωL–1/（ωC）)。具體說來阻抗可分為兩個部分，電阻（實(shí)部）和電抗（虛部）。其中電抗又包括容抗和感抗，由電容引起的電流阻礙稱為容抗，由電感引起的電流阻礙稱為感抗。這里的阻抗是指Z的模。
任何一根線纜的特征阻抗都可以通過實(shí)驗(yàn)的方式得出。線纜的一端接方波發(fā)生器，另一端接一個可調(diào)電阻，并通過示波器觀察電阻上的波形。調(diào)整電阻阻值的大小，直到電阻上的信號是一個良好的無振鈴的方波，此時的電阻值可以認(rèn)為與線纜的特征阻抗一致。
采用兩根汽車使用的典型線纜，將它們扭制成雙絞線，就可根據(jù)上述方法得到特征阻抗大約為120Ω，這也是CAN標(biāo)準(zhǔn)推薦的終端電阻阻值，所以這個120Ω是測出來的，不是算出來的，都是根據(jù)實(shí)際的線束特性進(jìn)行計算得到的。當(dāng)然在ISO 11898-2這個標(biāo)準(zhǔn)里面也是有定義的。
為什么功率還要選0.25W？
這個就要結(jié)合一些故障狀態(tài)來計算，汽車ECU的所有接口都需要考慮短路到電源和短路到地的情況，所以我們也需要考慮CAN總線的節(jié)點(diǎn)短路到電源的情況，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)需要考慮短路到18V的情況，假設(shè)CANH短路到18V，電流會通過終端電阻流到CANL上，而CANL內(nèi)部由于限流的原因，最大注入電流為50mA（TJA1145的規(guī)格書上標(biāo)注），這時候120Ω電阻的功率就是50mA*50mA*120Ω=0.3W。
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特征阻抗的最新內(nèi)容
d)微波損耗αm、e)微波有效折射率nm、f)特征阻抗Zc的頻率依賴性模擬結(jié)果。
所提出的直流偏置嵌入式電光TFLN調(diào)制器采用圖5所示工藝制備。工藝始于LNOI晶圓（圖5a），隨后使用300nm厚ma-N2430光刻膠通過電子束光刻技術(shù)對頂層TFLN進(jìn)行圖案化。
本次“HFSS在行波電極設(shè)計領(lǐng)域的應(yīng)用”研討會將介紹HFSS軟件在處理此類高頻電磁問題中的強(qiáng)大能力，通過調(diào)制器行波電極的完整設(shè)計實(shí)例，逐步演示如何構(gòu)建模型、設(shè)置邊界條件、求解并提取特征阻抗、有效折射率和S參數(shù)等關(guān)鍵指標(biāo)。我們期待通過這次交流，能夠幫助與會同仁深入理解并掌握這一先進(jìn)的設(shè)計與分析方法，共同推動高速光子器件技術(shù)的進(jìn)步。
關(guān)鍵詞：平板天線 定向輻射 高增益 低剖面
單元設(shè)計
天線單元選擇經(jīng)典的貼片天線，為有效調(diào)整阻抗，在貼片邊沿嵌入一個缺口，設(shè)置波端口，并且嵌入操作，時的貼片的邊沿阻抗和微帶線的特征阻抗數(shù)值相等，即將邊沿阻抗優(yōu)化到100+j*0的情況。
其反射系數(shù)為
其中Zl是歸一負(fù)載值50歐姆，即負(fù)載值與傳輸線的特征阻抗值的比值。為保證帶寬設(shè)定不小，需調(diào)整帶寬與品質(zhì)因數(shù)之間的關(guān)系，初步設(shè)定帶寬為1MHz，從而可以得出品質(zhì)因數(shù)為10[10]。確定已知參量，匹配所需電容和電阻的大小，從Smith結(jié)果可以得到，若要達(dá)到50歐姆標(biāo)準(zhǔn)匹配電路，最終匹配電路參數(shù)如表2所示。
ATV 取決于幾何形狀、網(wǎng)格密度、聲場內(nèi)的介質(zhì)特性、聲學(xué)表面的特征（阻抗和導(dǎo)納）、頻率和場點(diǎn)位置。ATV 和載荷無關(guān)，這意味著ATV技術(shù)特別適合于旋轉(zhuǎn)機(jī)械的多工況分析，如電機(jī)多轉(zhuǎn)速工況和結(jié)構(gòu)設(shè)計參數(shù)優(yōu)化。
該技術(shù)在載荷和設(shè)計參數(shù)變化的仿真計算中顯示出巨大的優(yōu)越性，因?yàn)橹灰桓淖冇邢拊Ｐ偷耐負(fù)浣Y(jié)構(gòu)就不需要重新運(yùn)行聲學(xué)求解器重算ATV。
接地過孔
RF電路布局的主要問題通常是電路的特征阻抗不理想，包括電路元件及其互聯(lián)。
引線覆銅層較薄，則等效于電感線，并與鄰近的其它引線形成分布電容。引線穿過過孔時，也會表現(xiàn)出電感和電容特性。
過孔電容主要源于過孔焊盤側(cè)的覆銅與地層覆銅之間構(gòu)成的電容，它們之間由一個相當(dāng)小的圓環(huán)隔開。另外一個影響源于金屬過孔本身的圓柱。
使用HFSS，可以計算：
① 基本電磁場數(shù)值解和開邊界問題，近遠(yuǎn)場輻射問題;② 端口特征阻抗和傳輸常數(shù);③ S參數(shù)和相應(yīng)埠阻抗的歸一化S參數(shù);④ 結(jié)構(gòu)的本征?；蛑C振解。而且，由Ansys HFSS和Ansys Designer構(gòu)成的Ansys高頻解決方案，是目前唯一以物理原型為基礎(chǔ)的高頻設(shè)計解決方案，提供了從系統(tǒng)到電路直至部件級的快速而精確的設(shè)計手 段，覆蓋了高頻設(shè)計的所有環(huán)節(jié)。
2.
TE11 模式的特征阻抗和截止頻率值是 COMSOL? 中數(shù)值模式分析的良好驗(yàn)證因素，因?yàn)槲覀兛梢詫⑺鼈兣c大家熟悉的解析表達(dá)式 進(jìn)行比較。
示例2：脊型波導(dǎo)的模態(tài)分析
讓我們繼續(xù)以波動光學(xué)為例，計算一個典型的集成波導(dǎo)的模式。所觀察的脊型波導(dǎo)有一個由硅 制成的芯、由 SiON 制成的上覆層和由 SiO2 制成的下覆層。
三、總結(jié)
1，在高速電路中要想把信號能量從源端全部有效的傳送到負(fù)載端，必須使傳輸線特征阻抗與信號的源端阻抗和負(fù)載阻抗匹配，否則信號會發(fā)生反射，導(dǎo)致信號波形的畸變等一系列問題。
2，CAN總線的終端電阻根據(jù)傳輸雙絞線的特性阻抗來的，為120Ω。雙絞線的特性阻抗與其絞距有關(guān)。
3，傳輸線，不允許線徑突變，防止特性阻抗變化，引發(fā)反射，造成信號失真。
在既有的認(rèn)識中，電化學(xué)阻抗譜是測試工作電極電化學(xué)阻抗的利器，在研究中大多采用電化學(xué)阻抗譜分析工作電極電化學(xué)反應(yīng)的阻抗特征，通過構(gòu)造模擬等效電路分析電極電化學(xué)反應(yīng)的構(gòu)成要素，但是很少有關(guān)于采用電化學(xué)阻抗譜分析電化學(xué)反應(yīng)速率的報道。本文介紹了采用電化學(xué)阻抗譜測試工作電極的腐蝕速率，值得閱讀、思考和關(guān)注。
