[發(fā)明專利]一種多級(jí)微帶傳輸線的高帶寬差分電壓探頭

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• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202111254906.2
• 申請(qǐng)日: 2021-10-27
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN113960357A
• 公開(kāi)（公告）日: 2022-01-21
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 曾正;王宇雷;孫鵬;王亮
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 重慶大學(xué)
• 主分類號(hào): G01R19/25
• 分類號(hào): G01R19/25
• 代理公司: 北京同恒源知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限公司 11275
• 代理人: 趙榮之

1.一種多級(jí)微帶傳輸線的高帶寬差分電壓探頭，其特征在于：該探頭包括依次連接的信號(hào)衰減模塊、信號(hào)變換模塊、信號(hào)補(bǔ)償與傳輸模塊和模數(shù)變換ADC模塊；

高壓信號(hào)經(jīng)過(guò)信號(hào)衰減模塊變換為±5V以內(nèi)的低壓信號(hào)，再由信號(hào)變換模塊組成的信號(hào)變換網(wǎng)絡(luò)，將低壓信號(hào)變換為單端信號(hào)，然后經(jīng)過(guò)信號(hào)補(bǔ)償與傳輸模塊，將單端信號(hào)經(jīng)由同軸傳輸線連接到示波器內(nèi)，示波器將對(duì)單端信號(hào)輸入ADC模塊進(jìn)行模數(shù)變換，將測(cè)試波形顯示到示波器屏幕。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種多級(jí)微帶傳輸線的高帶寬差分電壓探頭，其特征在于：所述探頭的帶寬f_meas為：

其中，f_VD、f_Amp、f_Cab和f_OSC分別為信號(hào)衰減模塊、信號(hào)變換模塊、信號(hào)補(bǔ)償與傳輸模塊和ADC模塊的帶寬；信號(hào)衰減模塊將高壓、高頻輸入信號(hào)等比縮小后輸出；信號(hào)變換模塊采用運(yùn)算放大器，對(duì)輸入差分信號(hào)進(jìn)行變換；信號(hào)傳輸模塊用于探頭輸出阻抗、同軸電纜特性阻抗、示波器輸入阻抗的匹配，實(shí)現(xiàn)信號(hào)的傳輸；ADC模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)輸入模擬信號(hào)的數(shù)字變換。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種多級(jí)微帶傳輸線的高帶寬差分電壓探頭，其特征在于：所述信號(hào)衰減模塊阻容分壓電路；其中，電阻分壓電路實(shí)現(xiàn)低頻信號(hào)的變換，電容分壓電路為高頻信號(hào)提供低阻抗路徑，提高探頭的高頻信噪比SNR；

選擇陶瓷電容作為分壓電容；單個(gè)分壓電容的耐壓不低于200V，容量不高于1000pF。

4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種多級(jí)微帶傳輸線的高帶寬差分電壓探頭，其特征在于：所述陶瓷電容為多層陶瓷電容MLCC，阻抗|Z_C|表示為：

f為信號(hào)的頻率；

MLCC的本征諧振頻率為200MHz，諧振頻率以下呈顯電容特性，諧振點(diǎn)處阻抗為R_ESL，諧振頻率以上呈顯電感特性；

當(dāng)MLCC焊接到印刷電路板PCB時(shí)，焊盤會(huì)與PCB產(chǎn)生交互耦合，與MLCC呈并聯(lián)關(guān)系，其中，Z_PCB為PCB平面耦合阻抗；

對(duì)于低頻信號(hào)時(shí)，Z_PCB呈顯電容特性，隨著信號(hào)頻率的提升，信號(hào)的波長(zhǎng)將逼近分壓電路的幾何尺寸，電路將由集總參數(shù)退化為分布參數(shù)，Z_PCB出現(xiàn)傳輸線效應(yīng)，使MLCC分壓環(huán)節(jié)性能惡化。

5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種多級(jí)微帶傳輸線的高帶寬差分電壓探頭，其特征在于：所述印刷電路板PCB上各元器件之間利用微帶線相連，微帶線的特性利用金屬平行板來(lái)近似表征，據(jù)法拉第定律和安培定律，微帶線的電壓和電流滿足偏微分方程

其中，v(z,t)和i(z,t)分別為電壓波和電流波，R_s、L、G、C分別為平行板單位長(zhǎng)度的表面電阻、表面電感、電導(dǎo)與電容，單位分別為Ω/m、H/m、S/m、F/m；

符合標(biāo)準(zhǔn)的“電報(bào)方程”形式，平行板的各項(xiàng)屬性利用“傳輸線理論”進(jìn)行分析；

忽略R_s與G對(duì)傳輸線模型的影響，化簡(jiǎn)為：

公式(4)為無(wú)損傳輸線的等效電路模型，坐標(biāo)系表示電壓波v(z,t)從z＝–d處進(jìn)入傳輸線，行進(jìn)至o處；d為傳輸線的長(zhǎng)度；為傳輸線的特性阻抗；

當(dāng)無(wú)損傳輸線的終端帶有負(fù)載實(shí)阻抗Z_L時(shí)，在z＝–d處，輸入阻抗Z_in表示為

其中，fd/v_p＝d/λ為信號(hào)在平行板傳輸線內(nèi)的電長(zhǎng)度，為相速，單位m/s，λ＝v_p/f為信號(hào)的波長(zhǎng)；

當(dāng)電長(zhǎng)度d/λ為0.25時(shí)對(duì)應(yīng)的頻率稱為此傳輸線的四分之一λ效應(yīng)點(diǎn)。

6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種多級(jí)微帶傳輸線的高帶寬差分電壓探頭，其特征在于：利用所述平行板傳輸線構(gòu)成的分壓器，傳遞函數(shù)G_VD為

其中，v_in和v_o分別為分壓器的輸入和輸出電壓信號(hào)，d₁和d₂分別為兩組平行板傳輸線的長(zhǎng)度，Z₀₁和Z₀₂分別為對(duì)應(yīng)的特性阻抗，Z_in1和Z_in2分別為對(duì)應(yīng)的輸入阻抗，表示為

定義N＝Z_in1/Z_in2為傳輸線1與2的輸入阻抗比；

要使分壓器在寬頻段內(nèi)正常工作，即G_VD在寬頻范圍內(nèi)均為常數(shù)，要求Z_in1/Z_in2在寬頻段內(nèi)均為定值N；

對(duì)于低頻段，有

依靠高精度的分壓電阻，實(shí)現(xiàn)對(duì)低頻信號(hào)的分壓；

對(duì)于中高頻段，由于R_LZ₀，有

利用洛朗級(jí)數(shù)在原點(diǎn)處線性化函數(shù)cot(·)，有

其中，B_2n為伯努利數(shù)，轉(zhuǎn)換為

為保證在中高頻段，Z_in1/Z_in2＝N恒成立，每一項(xiàng)均應(yīng)匹配，即

將和代入得

為保證等式恒成立，平行板分壓器滿足

其中，d₁C₁、d₁L₁為傳輸線1的集總電容與集總電感；d₂C₂、d₂L₂為傳輸線2的集總電容與集總電感，有：

為獲得高帶寬的分壓器，要求Z_in1/Z_in2＝N在全頻段恒成立；在設(shè)計(jì)該高帶寬的分壓器時(shí)，其結(jié)構(gòu)尺寸和電氣參數(shù)滿足

R_L1＝NR_L2,Nd₁C₁＝d₂C₂,d₁L₁＝Nd₂L₂,Z₀₁＝NZ₀₂ (16)

引入低通濾波環(huán)節(jié)，考慮到濾波平滑性、插入損耗與元件數(shù)量，選用貝塞爾或巴特沃斯濾波器；為使差分探頭獲得盡可能寬的帶寬，濾波器剪切頻率f_c選在G_VD畸變6dB處，即

經(jīng)過(guò)濾波器補(bǔ)償后，差分電壓探頭的帶寬近似在傳輸線1的四分之一λ效應(yīng)點(diǎn)處。