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CST软件TDR时域仿真实例

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本文将介绍如何用CST做TDR仿真。首先我们先了解一下什么是TDR?TDR(Time Domain Reflectometer),时域反射计。测试中,通过测量输入电压与反射电压比,从而计算不连续的阻抗。

传统TDR测试的实用性有所限制,如有限的上升时间,大的阶跃电压会损坏有源器件等,而做TDR仿真则没有这些限制。CST作为一款以时域积分方程方法起家的工具,在TDR分析中相较于一些频域算法通过S参数转换得到TDR,无论是效率还是精度上(考虑完整的阻抗段)都有非常明显的优势。下面我们开始介绍如何用CST软件来做TDR仿真。

 

在线TDR仿真

首先先创建仿真模型,如下图所示:

微带线板的厚度1mm,材料为介电常数为4的FR4,其他尺寸见上图。

为了后文需要做交叉探测,设置一个时间power flow监视器如下图:

这里我们设置的频率范围是0到20GHz,在CST中,要进行TDR计算非常方便,我们在special里勾选上如下选项,就可以做在线TDR的仿真了,如下图:

其中,50% time shifting为了后文交叉探测(TDR cross probing)用,如果不做Cross probing可以不勾。我们点击START启动仿真,如下图所示:

这里的端口是2个离散端口,我们做TDR在线探测的时候只要激励其中一个就可以随着仿真脉冲的波的传播,实时的得到TDR的结果,在1D Result下会多一个文件夹,如下图所示:

在CST仿真中本来就是实时的通过求解激励信号,回波信号,和传输信号来了解电磁波在模型钟的传播情况,在脉冲激励的仿真中,在线TDR也正是同样对O1,1的结果进行了积分处理。

如上图可以看到,在脉冲激励下,得到o1,1的同时就能得到在线TDR。基于这种原理,我们用时域仿真TDR只需要仿真所关心的一段时间信号即可,而不需要像频域仿真那样仿完完整的S参数。下图是仿完的TDR阻抗,我们可以很清晰的看到两段阻抗不连续的地方。

TDR交叉探测(cross-probing)

TDR交叉探测需要设置一个时间power flow监视器。

上图中,我们发现阻抗最小的位置发生在0.365ns的时刻,可以利用如下图后处理宏得到模型中的位置。

如上图可见,软件找到了阻抗不连续点在物理模型的位置。

 

阶跃信号仿真

在CST中,用高斯脉冲信号做激励,TDR就是计算的高斯脉冲的积分,就是测试常用的阶跃信号,如下图所示:

同样,我们对回波信号做积分就是我们要的TDR信号。

由上图可知,我们在TDR仪器中设置的阶跃信号上升沿时间可以换算成和频率相关的公式。例如当T10%-90%raise=43.8ps的时候,fmax等于20GHz。即你仿真0-20GHz,就是仿真的测试时候讲阶跃信号80%上升时间设置为43.8ps。反之也可以通过仪器设置的时间反推需要仿真的频率。当然CST里一样可以不用高斯脉冲,而直接用阶跃信号进行仿真,如下图:

同样在用阶跃信号仿真时,我们只需要仿真一段时间就可以了,例如本例中只需要仿真约0.7ns。

通过后处理,对延迟进行平移后,其实两种方法得到的TDR结果是完全一致的。

同样对于60%脉冲上升时间,也可以得到如下公式:

综上所述,用CST时域仿真TDR有三大优点:

  1. 在线TDR仿真,实时得到TDR结果。

  2. 可以用和实测一样设置的阶跃信号模型,当然用高斯脉冲原理也是一样的。

  3. 独有的TDR Cross Probing,探测阻抗不连续点的具体发生的位置。

CST时域仿真最高效的帮助用户了解被测物体的阻抗不连续情况以及发生的位置。

另外需要注意的是,TDR方法本身只适合于观察靠近端口处的一些不连续现象,如果阻抗变化复杂,和测试一样,后面的一些多次反射的结果通常是没有太多的实际意义的。

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