Coaxial Cable TDR Analysis

説明

不連続のある同軸ケーブル (図 1) は、HFWorks の S パラメータ モジュールの時間領域反射測定 (TDR) ソリューションを使用して解析されます。これは、ケーブルの入力ポートからパルス信号を送信し、ケーブルのもう一方の端で生成された反射を確認することによって行われます。表示されているケーブル モデルには、不連続な遷移で区切られた 3 つのセクションがあります。

TDR モジュールは、2 つのポート間のパルスの伝播経路を通じてインピーダンスを決定できます。これにより、設計者は反射が発生する場所を理解し、TDR の背景知識を使用して反射の原因を特定できます。

図 1 -不連続部のある同軸ケーブル (上) と寸法 (下)

シミュレーション

HFWorks の S パラメータ スタディでこの不連続な同軸ケーブル部分をシミュレートすることで、周波数領域での動作 (散乱パラメータを介して) と、時間領域での反射測定特性 (散乱パラメータの下にある TDR シミュレーションを介して) を調べることができます。シミュレーション設定)。周波数領域で FEM によって出力された式から信号式を時間領域に切り替えるには、多数の周波数サンプル (少なくとも 2 つの周波数) に対する IFFT が必要です。したがって、HFWorks での単一周波数 S パラメータ シミュレーションでは、TDR シミュレーションは許可されません。

最初のステップとして、構造の S パラメータ シミュレーションを実行して、周波数領域での構造の動作についてのアイデアを取得します。シミュレーションの結果を図 3 に示します。反射係数 S11 は 5 GHz で -25 dB 以上に達します。この周波数領域解析の結果は、TDR 解析を実行する前に IFFT の入力として機能します。

部材と材料

図 1 は、形状が類似しているが寸法と比誘電率がわずかに異なる 3 つの部品のアセンブリまたは構造を示しています。私たちが求める不連続性を生み出すのは、これらの違いからです。これらのブロックまたはボディの事前定義された材料の比誘電率は、中央の部分で 2.1、側面の部分で 3.5 です。これらのパラメーターをアルゴリズムの計算に挿入すると、モデルが不均一になり、電気パラメーター (電圧、電流、インピーダンス、励起) の表現に不連続性が生じます。これらの式のプロットは、伝達モデルの内部構造を調査するための重要な機能です。

材料はすべて等方性誘電率タイプです。したがって、誘電率パラメーターはスカラーです (直交異方性材料の場合、誘電率は 3 行 3 列の行列です)。

負荷/制約

この例では、純粋な TEM 伝播があると仮定しています。そのため、最初のポートのチェックボックス「Pure TEM」がアクティブになっています。マクスウェルの方程式は、空洞導波路 (単一導体) で TEM 伝搬を得るためには、2 番目の導体 (信号境界条件) が必要であると述べています。そうでなければ、マクスウェル方程式の自明な解 (ゼロ電場) が得られます。したがって、TEM ポート以外に信号境界条件を割り当てます。対称性 (PECS または PMCS) と共に境界条件を使用すると、モデルの対称部分の寄与が自動的に考慮されるため、計算時間が短縮され、シミュレーターがより現実的な結果を簡単に得ることができます。面または平面に関する電場の方向を考慮すると、磁気境界が必要か電気境界が必要かがわかります。

メッシング

HFWorks のメッシャーは、ユーザーが指定した適用されたメッシュ コントロールに基づいて平均メッシュ要素サイズを計算します。次に、ボリュームメッシングが実行されます。メッシュ コントロールの表面に近づくと、メッシュ要素のサイズが小さくなります。この場合、同軸ケーブルのインナー ワイヤです。メッシュの成長率も指定できます (デフォルトでは 1.4 に設定されています)。

結果

このレポートの冒頭で述べたように、HFWorks は FEM ソルバーを使用して、周波数領域でマクスウェル方程式の解を計算します。したがって、反射波の式を計算するために、IFFT がさまざまなフィールドの周波数領域の式に適用されます。これらの式は、考慮されているポートで測定されたインピーダンス、電圧、および電流を計算する手段になります。次の図は、周波数範囲 0.625 GHz ～ 5 GHz の S11 プロットを示しています。この周波数ウィンドウは、さまざまな信号の IFFT を計算するのに十分な大きさである必要があります。

図3 - 反射係数と挿入損失

さまざまな周波数で電場分布を表示し、オメガ-T 位相を変化させることでアニメーション化できます。この図では、異なるオメガ-T フェーズでのその分布の 2 つのスポットを示しています。

図 4 -インピーダンス情報を含む故障までの距離 [1]

図 5 -ポート 1 から見たインピーダンス

以下の [2] は、システムの解像度に制約を課します。

不一致の特定

空気誘電体を使用した伝送線路用。一般的なケースでは、 は誘電率です。

=伝播速度; T=監視ポイントから不一致までの通過時間、および再び戻ってくる時間。 

参考文献

[1 ]  Time Domain Reflectometry (TDR) and S-parameters: Advanced Measurements …not only Signal Integrity - July2009

[2 ]  Tektronix, enabling innovation : TDR Impedance Measurements: Foundation for Signal Integrity

[3 ]  Time Domain Reflectometry Theory Application Note 1304-2- Agilent Technologies