專利名稱：有耗非均勻微帶線高速脈沖信號(hào)成形技術(shù)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種使用傳輸線的脈沖信號(hào)成形技術(shù)，尤其涉及一種有耗非均勻微帶線高速脈沖信號(hào)成形技術(shù)，屬于電子技術(shù)領(lǐng)域。
脈沖成形技術(shù)是一項(xiàng)可以得到任意形狀的電壓脈沖信號(hào)的技術(shù)，在多個(gè)領(lǐng)域有著廣泛應(yīng)用。如高速集成電路中信號(hào)在連接線上傳輸時(shí)要產(chǎn)生形狀畸變，通過脈沖成形技術(shù)可使這種畸變降至最?。挥秩缂す鉄崛刍瘜?shí)驗(yàn)需要形狀非常特殊的高壓脈沖信號(hào)，只有通過專門的脈沖成形技術(shù)才能實(shí)現(xiàn)。脈沖成形有多種技術(shù)方案，最近10年發(fā)展起來的使用微波傳輸線的技術(shù)具有成本低、功能強(qiáng)、實(shí)施方便的優(yōu)點(diǎn)，受到了特別重視。微帶線常用作高速集成電路中的信號(hào)連接線，如考慮其損耗，則在輸出端接收到的信號(hào)往往要產(chǎn)生形狀畸變。在IEEE Trans.On MTT.Vol.38，No.10，October 1990刊登的一篇文獻(xiàn)(Arbitrary Pulse Shape Synthesis viaNonuniform Transmission Lines)中，給出了傳輸線脈沖成形技術(shù)的基本原理，使用離散逆散射技術(shù)確定非均勻傳輸線的阻抗沿長(zhǎng)度的分布，使之能產(chǎn)生任意形狀的反射波，應(yīng)用直接或所謂“層剝離”算法得到阻抗分布，并用帶狀線實(shí)現(xiàn)了這一阻抗分布，即通過設(shè)計(jì)特定形狀的無耗非均勻微帶線，在其輸入端得到所需形狀的反射脈沖信號(hào)。這種脈沖成形技術(shù)有兩個(gè)缺點(diǎn)。一是不能處理有耗傳輸線問題，面當(dāng)脈沖速度提高時(shí)，由于信號(hào)頻譜的變寬和傳輸線尺寸的減小，傳輸線的損耗必須考慮；二是所需信號(hào)只能在輸入端得到，限制了激勵(lì)源的選擇，給使用帶來了不便。
本發(fā)明的目的在于針對(duì)目前無耗傳輸線脈沖信號(hào)成形技術(shù)的上述不足，利用傳輸線理論設(shè)計(jì)一種新的有耗非均勻微帶線，可以將傳輸線的損耗考慮進(jìn)去，并且能在其輸出端產(chǎn)生所需形狀的高速脈沖信號(hào)。
為實(shí)現(xiàn)這樣的目的，本發(fā)明的技術(shù)方案是根據(jù)微波傳輸線理論，對(duì)于給定的激勵(lì)信號(hào)，利用信號(hào)的傳輸規(guī)律設(shè)計(jì)出一根特定形狀的有耗非均勻信號(hào)傳輸線，在傳輸線的終端得到所需形狀的高速脈沖信號(hào)。具體如下本發(fā)明所采用的有耗非均勻傳輸線可以是帶狀線或微帶線，對(duì)其襯底和導(dǎo)電金屬材料沒有特殊的要求，用常規(guī)的陶瓷和銅即可。信號(hào)導(dǎo)體的厚度在橫截面及長(zhǎng)度方向均勻，寬度隨長(zhǎng)度變化，變化的方式是本項(xiàng)技術(shù)的關(guān)鍵。微帶線的橫截面尺寸應(yīng)保證在所需脈沖信號(hào)的頻譜范圍內(nèi)滿足傳輸準(zhǔn)橫電磁(TEM)波的條件，即橫截面尺寸明顯小于高頻端的典型波長(zhǎng)。設(shè)所需脈沖信號(hào)的維持時(shí)間是2T，則設(shè)計(jì)出的微帶線的延時(shí)應(yīng)該大于T。
本發(fā)明所設(shè)計(jì)的非均勻傳輸線由m段短的均勻線級(jí)聯(lián)而成，每段均勻線的長(zhǎng)度可各不相同，但延時(shí)都一樣，為h＝2T/m。m的值應(yīng)足夠大，使h可以當(dāng)作所需脈沖信號(hào)的取樣時(shí)間間隔。按照上述要求選定微帶線的材料種類與介質(zhì)厚度H后，第一段均勻微帶線的寬度W1可在0.25H＜W1＜2H范圍內(nèi)任意選定。根據(jù)微帶線上信號(hào)傳輸?shù)碾妶?bào)方程，由信號(hào)響應(yīng)分析的特征法可得微帶線兩端信號(hào)之間的數(shù)值關(guān)系式[v0][i0]=[T][vm][im]]]>式中[v0]是個(gè)n(n≤m)維矢量，元素為第一段均勻微帶線激勵(lì)端電壓信號(hào)在時(shí)間t＝2jh處的取樣值，j＝0，1，…n-1。[vm]是元素為第m段均勻微帶線輸出端電壓信號(hào)在時(shí)間t＝τ+2jh處的取樣值的n維矢量，j＝0，1，…n-1，實(shí)際上就是所需脈沖信號(hào)在均勻分布的n個(gè)時(shí)間取樣點(diǎn)上的值。[i0]、[im]是相應(yīng)的電流取樣值矢量，[i0]可通過激勵(lì)源和輸入電阻Rin表達(dá)為[v0]的線性函數(shù)，[im]則可從[vm]根據(jù)微帶線輸出端的邊界條件求得。該處的邊界條件取決于用戶指定的終端設(shè)備。關(guān)系式中矩陣[T]為各段均勻傳輸線的特性阻抗Zk和電阻Rk的函數(shù)，詳細(xì)表達(dá)式在下面給出。由于各段均勻傳輸線唯一可變的量是導(dǎo)體寬度Wk，因此Zk、Rk不是獨(dú)立變量。關(guān)系式中包含2n個(gè)非線性代數(shù)方程，(m+n)個(gè)未知量，即Zk(k＝1，2，…，m)和[v0]的n個(gè)元素。從中解出Zk后可從傳輸線的特性阻抗-寬度曲線得到每一段均勻傳輸線的信號(hào)導(dǎo)體寬度Wk，并根據(jù)其延時(shí)h確定每一段均勻傳輸線的長(zhǎng)度Dk.，Wk與Dk.確定了非均勻傳輸線的信號(hào)導(dǎo)體寬度隨其長(zhǎng)度變化的方式，利用據(jù)此制作的傳輸線即可得到所需形狀的脈沖信號(hào)。上述微帶線兩端信號(hào)之間的數(shù)值關(guān)系式中矩陣[T]的表達(dá)式[T]=IIk=1m[Tk]---(1)]]>式中[Tk]=T1kT2kT3kT4k---(2)]]>是一個(gè)2n維方陣，其四個(gè)子矩陣的表達(dá)式如下
在(3)-(6)式中T1k(ij)，T2k(ij)，T3k(ij)及T4k(ij)分別是矩陣T1k，T2k，T3kandT4k的第i行第j列元素的值。(3)-(6)式等號(hào)右邊各個(gè)量的表達(dá)式為ak=(Zk+Ψk)(1+Φk)2(Zk-ΦkΨk),bk=(Zk-Ψk)(1-Φk)2(Zk-ΦkΨk)---(7)]]>ck=(Zk+Ψk)(Zk+Ψk)2(Zk-ΦkΨk),dk=(Zk-Ψk)(Zk-Ψk)2(Zk-ΦkΨk)---(8)]]>ek=(1+Φk)(1+Φk)2(Zk-ΦkΨk),fk=(1-Φk)(1-Φk)2(Zk-ΦkΨk)---(9)]]>pk=Zk(1+Φk)2Zk-ZkΦk-Ψk,qk=Zk(Zk+Ψk)2Zk-ZkΦk-Ψk---(10)]]>rk=1+Φk2Zk-ZkΦk-Ψk,sk=Zk+Ψk2Zk-ZkΦk-Ψk---(11)]]>式中Zk=LkCk,Ψk=0.5hRkLkCk,Φk=0.5hGkCk---(12)]]>Lk、Ck、Rk與Gk分別表示組成非均勻傳輸線的第k段均勻線的電感、電容、電阻與電導(dǎo)分布參數(shù)，h是每一段均勻線的延時(shí)，也是信號(hào)取樣的時(shí)間步長(zhǎng)。在本發(fā)明的設(shè)計(jì)中，認(rèn)為介質(zhì)漏電損耗G可以忽略。
本發(fā)明提供的有耗非均勻微帶線高速脈沖成形技術(shù)，根據(jù)微波傳輸線的理論與技術(shù)，將微帶線設(shè)計(jì)為非均勻的形狀，從微帶線兩端取樣信號(hào)之間的數(shù)值關(guān)系式來確定傳輸線信號(hào)導(dǎo)體的寬度隨其長(zhǎng)度坐標(biāo)變化的方式，可將傳輸線的損耗考慮進(jìn)去，且在傳輸線的輸出端得到所需形狀的脈沖信號(hào)，因此同時(shí)克服了傳統(tǒng)的利用傳輸線的脈沖成形技術(shù)的兩個(gè)缺點(diǎn)。激勵(lì)信號(hào)可以是梯形脈沖和階躍脈沖，通過輸入電阻Rin加到微帶線的一端。Rin的阻值可在10Ω到1000Ω范圍內(nèi)任意選定。


圖1為本發(fā)明產(chǎn)生高速脈沖信號(hào)的電路示意圖。
圖中，激勵(lì)信號(hào)源1產(chǎn)生的激勵(lì)信號(hào)通過輸入電阻Rin接到有耗非均勻微帶線2的一端，有耗非均勻微帶線2由m段的均勻線級(jí)聯(lián)而成，[v0]、[vm]分別為非均勻微帶線2上第1段均勻微帶線的輸入端和第m段均勻微帶線輸出端電壓信號(hào)的取樣值，非均勻微帶線的另一端連接用戶指定的終端設(shè)備3。產(chǎn)生的脈沖信號(hào)的最快上升時(shí)間可小于100ps。
為更好地理解本發(fā)明的技術(shù)解決方案，下面結(jié)合具體的一個(gè)實(shí)施例作進(jìn)一步描述。
實(shí)施例中將微帶線用作高速集成電路中的信號(hào)連接線，考慮其損耗，為避免輸出端接收到的信號(hào)產(chǎn)生形狀畸變，利用本發(fā)明技術(shù)，將微帶線設(shè)計(jì)為非均勻的形狀，使由損耗引起的畸變與微帶阻抗非均勻性產(chǎn)生的信號(hào)反射所引起的畸變互相抵消，則可在輸出端接收到無畸變的信號(hào)，且其幅度可任意控制。
附圖2為本發(fā)明的實(shí)施例電路示意圖。
圖中，有耗非均勻微帶線2連接在兩個(gè)阻值分別為40Ω與450Ω的電阻之間，并由激勵(lì)信號(hào)源1產(chǎn)生的一個(gè)上升時(shí)間為240ps的單位脈沖信號(hào)激勵(lì)。
附圖3為本發(fā)明實(shí)施例中的有耗非均勻微帶線的結(jié)構(gòu)示意圖。
如圖中所示，微帶線的襯底厚度H為90mm，襯底的介電常數(shù)ετ為9.8，信號(hào)導(dǎo)體4厚度T為5mm，導(dǎo)體寬度第一段W1取值30mm。
附圖4給出了附圖2電路中的輸出電壓Vout。
其中，實(shí)線為本發(fā)明設(shè)計(jì)出的非均勻微帶線產(chǎn)生的無畸變信號(hào)，虛線為均勻微帶線產(chǎn)生的畸變信號(hào)。
附圖5為本發(fā)明設(shè)計(jì)的非均勻微帶線的信號(hào)導(dǎo)體寬度W、特性阻抗Z及損耗φ隨長(zhǎng)度坐標(biāo)的變化曲線。
其中，信號(hào)導(dǎo)體寬度W的單位為nm，特征阻抗Z的單位為Ω，損耗φ的單位為100Ω，橫坐標(biāo)為信號(hào)導(dǎo)體分成均勻線的段數(shù)編號(hào)。
在此實(shí)施例中，利用本發(fā)明提供的使用傳輸線的高速脈沖信號(hào)成形技術(shù)，將微帶線設(shè)計(jì)為非均勻線，信號(hào)導(dǎo)體的寬度按照?qǐng)D5中曲線W的方式隨其長(zhǎng)度坐標(biāo)變化，則輸出電壓如圖4中的實(shí)線所示。圖4中的虛線是信號(hào)導(dǎo)體的寬度不隨長(zhǎng)度變化(即均勻微帶線)時(shí)的輸出電壓Vout，顯然與輸入信號(hào)相比存在形狀的變化，這在高速電路中是不希望出現(xiàn)的。本發(fā)明提供的高速脈沖成形技術(shù)不僅沒有形狀畸變，而且由于設(shè)計(jì)合理，信號(hào)的幅度也與激勵(lì)信號(hào)一樣，因此信號(hào)完全保真。
權(quán)利要求
1.一種有耗非均勻微帶線高速脈沖信號(hào)成形技術(shù)，將激勵(lì)信號(hào)源輸出的信號(hào)，經(jīng)微波傳輸線到終端設(shè)備，得到所需的特殊形狀信號(hào)，其特征在于所說的微波傳輸線為特定形狀的有耗非均勻微帶線，由m段短的均勻線級(jí)聯(lián)而成，每段均勻線的長(zhǎng)度可各不相同，延時(shí)h＝2T/m作為所需脈沖信號(hào)的取樣時(shí)間間隔，其信號(hào)導(dǎo)體的厚度在橫截面及長(zhǎng)度方向均勻，寬度隨長(zhǎng)度變化，其變化方式根據(jù)微波傳輸線的理論和技術(shù)，從微帶線兩端信號(hào)之間的數(shù)值關(guān)系式確定。
全文摘要
一種有耗非均勻微帶線高速脈沖信號(hào)成形技術(shù),將激勵(lì)信號(hào)源輸出的信號(hào),經(jīng)特定形狀的有耗非均勻微帶線成形,微帶線由m段短的均勻線級(jí)聯(lián)而成,每段均勻線的長(zhǎng)度可各不相同,其信號(hào)導(dǎo)體的厚度在橫截面及長(zhǎng)度方向均勻,寬度隨長(zhǎng)度變化,其變化方式根據(jù)微波傳輸線的理論和技術(shù),從微帶線兩端信號(hào)之間的數(shù)值關(guān)系式確定。本發(fā)明提供的高速脈沖信號(hào)成形技術(shù),考慮了傳輸線的損耗,且可在傳輸線的輸出端得到所需形狀的脈沖信號(hào)。
文檔編號(hào)H01P3/08GK1247389SQ9911382
公開日2000年3月15日 申請(qǐng)日期1999年6月29日 優(yōu)先權(quán)日1999年6月29日
發(fā)明者毛軍發(fā) 申請(qǐng)人:上海交通大學(xué)