传输线的远端容性耦合

文摘   科技   2024-10-10 18:55   浙江  

远端容性耦合

耦合电流通过耦合电容Cm从静态线流向动态线,那么它有两个方向可以逃走:1,远端;2,近端。

那么电流究竟要往哪里跑呢?

我们知道,电流的路径是自己选择的,很明显电流比我要聪明和有前瞻性,但是它选择路径有一个依据是:阻抗。

“耦合电流”跑到静态线后,左右(远端和近端)一看,艾玛,阻抗一样的啊!那就分头跑吧,一边一半。

所以,远端容性耦合电流的大小是耦合电流大小的一半:

Ic = (1/2)*I12 

=(1/2)*C*V/Tr 

=(1/2)*Cm*Len*V/Tr

当然,如果它耦合过来的地方刚好是阻抗不连续点,左右看过去的阻抗不同,那么远端和近端的耦合电流大小会不同。

我们可以再深一层来思考:传输线的信号路径和回流路径之间,肯定也是有容性耦合的,那么它的耦合电流(回流)是怎么跑呢?为什么?(自行思考)

静态线远端容性耦合电压(电流)传输方向,同动态线信号传输方向是一致的,所以会相互叠加,且呈现出的波形是一个脉冲:宽度为动态线边沿时间,高度与耦合距离相关。

举个栗子,如下图动态线上信号从左往右传,而静态上的容性串扰兵分两路:一个从左往右,另一个从右往左;那么从左往右这路串扰就跟动态线上信号跑的方向一样了,而且它们在同一个环境下(介电常数和磁导率一样),所以信号传输速率也一样,所以导致的现象是远端串扰幅度上不断被叠加

好,接下来还有两个问题,如果我们理清楚了就可以完全理解远端耦合的问题了。

1. 在静态线上测试到的耦合电压是如何形成的?

我们一直在说电容耦合是由电流从动态线注入到了静态线而产生了串扰,但实际上,我们所看到的是电压而并非电流啊!即,我们只能看到静态线上信号电压的变化

1, 首先,容性串扰电压是因为有容性耦合电流,根据欧姆定理,V = I*R,可得:

远端耦合电压Vm 

= 远端耦合电流 * 静态线阻抗 

= Ic * Z2 

= (1/2)*Cm*Len*(V/Tr)*Z2

这里再强调下,对于高频信号来说:导线不再是0Ω,而是有特征阻抗的。至于频率高到多少才不是0Ω呢?请回顾集总和分布模型,以及对传输线的定义

2, 如下图所示动态线从源端向终端发送一个上升沿信号:A点之前位置的电场已经建立完成(动态线相对于静态线的电压已无变化,不再充电),而B点之后位置电场还没开始建立,只有AB之间位置的电场正在建立过程中(动态线相对于静态线的电压有变化),这部分的动态线与静态线还在充电。

举个栗子,A点电压从0V到1V动态变化的这段时间(上升边沿)会有充电的动作形成电流,电流总量固定(电压变化是固定的),且每个时刻从静态线A点流出的电流固定不变(假设上升边沿斜率不变);静态线A点流出的电流(电压)分别向远端和近端传输,静态线上串扰信号以光速传播。

3, 总结如上分析:任何一个点,例如C点,从动态线耦合到静态线的电流,总共经历了Tr时间,瞬时电流大小为:IC

随着动态线上信号的传输,静态线上信号也同步在传输,我们观察当前在C点的电流,除了C点本身耦合的电流外,还有从静态线其它位置传输并叠加的电流

2. 第二个问题是:为什么容性远端耦合会出现脉冲波形电压,而且脉冲宽度刚好等于边沿时间Tr

接下来根据上图的三个位置分析远端耦合是怎么叠加的。

1, 首先,我们来看B点位置,它处于动态线信号传输的最前端(波前),而静态线上的耦合信号来源于动态线,两者都以光速在沿着传输线向远端传播,所以B点也是静态线上信号传输的最前端,在B点再向右一点地方的耦合信号一直是0

可以得到结论:B点是远端耦合开始的位置,其它位置的耦合信号还没传输到B点,所以B点耦合信号 0

2, 再来看A点位置,这个位置处于动态线信号传播的结束点,能够叠加在A点的远端耦合信号在A点的左侧,但此时A点左侧位置的电场已经建立完成,没有电流从动态线流向静态线,所以在这个位置也没有任何叠加(静态线上耦合信号传播速度同动态线,所以远端耦合电流分布在边沿区域内)。

得到结论:A点是远端耦合结束的位置,其它位置的耦合信号已经经过了A点(在A点右侧),A点耦合信号0

3, 最后,我们看C点位置, 这个位置处于动态信号传播的中间点,理论上C点能够叠加在C点左侧的远端耦合信号(信号向右传输),那它能够叠加多远距离的耦合信号呢?我们来想象一下:

(1) B点时,B点左侧是A点至B点距离的耦合信号,但这些耦合信号都还没传输到B点。

(2) C点时,C点处于(1/2)*Tr位置,其左侧(1/2)*Tr时间的耦合信号(A点)刚刚到达C点位置,而小于(1/2)*Tr时间距离的耦合信号都能叠加到C点。

(3) 假设D点处于C点左侧的(3/4)*Tr位置,那么按理来说在小于等于D点左侧(3/4)*Tr时间距离的耦合信号都能叠加到D点位置,但此时D点左侧只有(1/4)*Tr区域还在产生远端耦合信号,再往左侧的地方电场已经建立完成,没有耦合电流产生了。

得到结论:C点((1/2)*Tr点)时,能够叠加到最大的远端耦合信号


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