微带传输线脉冲信号传输特性研究

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超宽带技术、毫米波亚毫米波技术的发展要求短脉冲信号应用在越来越多的场合,而短脉冲信号在传输线上的传输特性至今没有完整的研究。脉冲信号与其传输结构密切相关,脉冲种类不同、传输结构不同,分析结果也会大不相同。本文主要研究了高斯脉冲在微带线结构上的传输特性。 微带线的理论已经相当丰富,公式化的频域色散模型从比较等效介电常数出发,已在高达数十吉赫兹(GHz)范围内达到相当精度,虽然没有使用全波方法,但已经可以较为精确地描述大多数信号的瞬态特性。然而,近年来的研究已经涉及到了带宽更宽的信号,皮秒脉冲的带宽已经达到数百GHz,还有信号的带宽需要按照倍频程计算。频率越高可能存在的模式就越多。没有证据表明已有的频域色散模型在这样的情况下依然适用,尽管有文献试图将以上色散模型应用到200GHz并给出了彼此之间的比较,却并没有给出与实际结果的比较。另一方面,若仅仅用通常意义上的等效介电常数就无法反映出波形变化和能量的传输。这些等效介电常数基于相速或特征阻抗的等效,但在高频多模的情况下,它们均已失去了原有的TEM条件下的意义了。最后,短脉冲的频谱极宽,色散严重,如果从频域色散模型出发进行研究,各频率的相速不同,对于整个信号如何计算“传输速率”也难以有统一的结论。 因为频域模型存在的以上困难,本文从时域出发,在速率、波形和能量传输三个方面研究了脉冲信号在微带线中的传输特性。首先采用脉冲峰值的传输速率(峰速)表征脉冲速率,并由此分析了脉冲信号的传播过程,提出了脉冲等效介电常数的概念;其次针对波形特点,提出采用脉宽/峰峰值作为参数,用于量化脉冲波形在微带线中传输产生形变的程度,并且发现其畸变波形可以用高斯函数的各阶导数线形叠加拟合;最后,提出了能量传输系数、能量耦合度的概念,并以此考察了匹配端口的微带线-槽线传输结构的时域传输特性。
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