瞬态信号长线传输补偿方法.pdf

1 9 9 0年 8月 遥测遥控 41 瞬态信号长线传输补偿方法 张万 方(航 空航 天部第 十四所)文摘：介 绍高频补偿 网络 的补 偿原理、极 零对特性 厦补 偿 网络的 电气参数 计算 和 结 构 设 计 方 法。由 于 设 计 方 法 简单，并 对 电境 侍输 引起 瞬 态 信 号 畸 变有很 好 的 补 偿 效 果，故 已成 为 瞬 态 信 号 长距 离 测 量 系统 中不 可 少 的 组成 部 分。即 使 在根 短 的距 离 内，这 种 网络 对 解 决 瞬 态 信 号 的 畸 变 问题 也 非 常 有 效。主题词：瞬态信 号幅颤 襄战补偿 一、补偿 原 理 1 幅度补偿原理 瞬 态 信 号 经 长 线(如 0 0 0 m)传 输，将引起信号幅度严重衰减和波形严重畸变。为了使信号不发生畸变 或少发生畸变，一个 好 的办法是在传输系统 中引进一个补偿网 络、来校正电缆引起的畸变 严格地说，对 电缆 传 输 衰 减进 行 补偿，既要 进 行 幅 度补 偿，又要进行相位补偿。但是，在理论和实 践上都 已证 明，在最小 相位时问延迟 的频率 范围 内，幅度补偿 能够 导致相位补偿。这个 最小 相 位 时 问延 迟 范 围与 同轴 电缆 型号 有 关，通常都在 5 0 0 MH z以上。这对我们来 说 已足够 了。因此，我 们只采用幅度补偿 的 方法来解决瞬态信号长线传输所引起的波形 畸变问题。如果 我们 以 d B为单 位表示 电缆衰减特 性()和 补偿 网 络 特 性(A。()，则 电缆幅度补偿 的要求 可 以用下式表示：0()+【()：2 0(1 g A 0(+A】()=Ko (1)式 中K 为常数 若用曲线表示 这个 要求，则得 图 1。由图 l 可 以看 出，所 需的补偿网络是高 通型网络。如果我们在 补偿 网络 中设置一些 图 电缆 补 偿 原 理 示 意 图 极 零对，使极 点频 率 高于零点 频率，那 么，这个补偿 网络就是高通型 的。通过调整极零 对个数和每个极零对的零点和极点，使补偿 网络的传输幅度衰减特性满 足 电缆幅度补偿 要 求。这个方 法一般是用 逐步逼近法来进行 的 为 了能 够更合 理地 设置和 调整极 零对，我们必须充分 了解极零对 的特性。2 极零对特性 极零对的数学表达式为：E ()=Z+j r o (2)式中P 极 零对的极点 Z极零对 的零点。维普资讯 http:/ 4 2 遥测遥控 要组 成 高 通 网 络，P必 须 大干 z d B为 位表示 的极零 对幅频特性，则：第 l 1 卷 第 4期 用 对，它们之间是不产生影 响 的。，)()一2 0 I 1+()_ 一Ig 1 +(岩)!十 培 岳 (3)如果我们 以z为 单位来 表示P，则：、P(珊)=2 0 t g【l+r I j 一培【1 1 l +(1 2 一詹研(4)、n 式 中Kr一 极零对有 下 几个 特性：(1)引进 一个 极零 对，在低频(相对零 点频 率而言)，要 产生一 2 0 1 g k的 衰减，而在 高频，衰减趋 于零 低 频衰减符合每倍频程 B的规律。这里 所说 倍频程是指极点频率 相对零点频率 来说 的。就是说，极点频率等 于两倍 的零 点频 率，则 在 低 频 段产 生 6 d B 衰减(2)极零对的幅频特性是随极点频率 与 零点频 率的 比值 K 变化 的，K 值 越 小，极 零对 幅频特 性 随频 率变 化越慢；随 K 值 增 加，极零 对 幅频 特性 随频 率变化 速度增 快。因此，通过 调 整 K 值，可以使极 零 对 幅频 衰减挣 生随频率变化符合 电缆补偿要求。但 是，极 零对的幅频特性随频率变化 的最大 速 度 不 能超过 每 倍频 程 为 6 d B 的规 定。如 果 电缆 补偿要 求 超过 每倍 频 程 6 d B时，就 必 须 在 该频 率 范 围 内设 置 两 个或 更 多个 极 零 对。(3)在 某 一频 率 范 围 内设 置 一个 极 零 对，它不仅在从零 点到极点 的频率范 围内对 补偿 网络有 影响，而且对低于零点频率和 高 于极点 频率 的频率范围 内的 幅频特性 也有 影 响。但是，在低 于零 点频率和高于极点频 率 一十量级 以上的频率范围 内，其影响可 忽 略不计。这说 明相距 很近的两个极零对，它 们 是互 相影 响 的，而 相距 较 远 的两 个 极零 二、补偿 网络 幅颊衰减 特性 的确 定 1 电缆幅频 衰减特 性测量(1)确定 电缆 幅度 补偿 的频率范 围 在瞬态信号测量时，一般根据被测信号的上 升沿(或下降沿)的时间来确定所用电缆幅 度补 偿 的频率范 围。以 2】_ 9 6”核效应试 验 为例，被铡信 号为一方 波脉 冲，方 渡宽度约 为 4 s，上 升沿(1 0 9 O )约 为 4 0 n s。考虑到宴 际使 用 中的各种情 况，确定对选用 的 s Yv 一7 5 5高频 电缆(长 1 0 0 0 m)幅度 补 偿 的频 率 范 围 为 0 5 MHz 2 5 MHz 在 数 据 列 表 中，实 际 给 出 了0 5 MHz 3 0 MHz范围内的测量数据。(2)测量方法 电缆 传输 幅度衰减特 性可 在实 验室测定 测定方 法有两种。一种 是频 域测 量法，另一种是 时域测 量法。在七 十年代 初，时域测量法 已经发展 成 熟。通过计算机 分析、测量 已能得到 比较 满 意 的结果 但 由于 波形的前 后沿 不易测 准，又要用计算 机进 行频 谱分析，一般情况 下不 宜采用。频域测量法 比较 简单，但 由于不 能完 全 匹配，往往有驻 波现象存在。采取一些措施 之 后，用这 种方法 也可 以测到准确的传输 幅 度特性。主要措施是：用 内阻与 电缆 渡阻抗 匹配 的信 号源，用性 能相 同 的高频毫伏表 同 时测量输人端和 输出端的电压。在“2 1-9 6 核效应 试验 中，采 用的是频 域测量法 其测 量设 备连接方式示于 图 2。在 实 际测 量 中，发 现还存 在驻 波现 象，但 不太严 重。通过 对测量 数 据的 甲滑处 理，进 一步 消除 了驻 波的影 响。(3)数据 的平滑 处理 用频域法测得 的 S YV 一7 5 5(0 0 0 m)的 幅 度 衰 减 特 性 r 以 d B表示 的数据列于表 l。维普资讯 http:/ 1 9 9 0年 8月 遥测遥控 4 3 图 2屯 缆幅 度 特 性 测 量 连 接 图 表，y卜 硝 一 r D mJ 幅度 衰 减 数据，n 0 5 -0 7 2 5 -8 5 1 2 -2 7 7 5 0 7 -2 3 一l 0 3 l 5 -3 0 6 3 0 9 2 3 4 1 3 2 l 7 -3 2 3 8 l 2 7 5 5 1 5 7 2 0 -3 4 4 1 2 3 6 3 6 一l 8 2 5 -3 7 5 1 5 4 7 5 7 -2 0 3 0 4 0 1 7 -5 5 8 -21 7 5 2 -6 6 7 1 0 -2 5 2 根据数表 1 的数据并加平滑修正处理 后 绘制的 曲线示于 图 3。图 j y卜7 5 5 电 缆 幅 频 衰 减 特 性 数 据的平滑处理是指根据测量 数据，在 绘 制 曲线 时，把 引 起 曲线有 捌 点 的 数据 去 掉。曲线按 理论分析，平 滑过 度 而成。按照 平 滑处理的 曲线得到 的数 据列 于表 2 表 2平 滑 后 的 幅度 衰 减数 据 lf J(MC1 0(d B)r MC1 a,o(d B)山r MC1 (d B)0 5 -0 7 2 5 8 5 1 2 2 7 0 7 1 6 5 3 1 0 3 1 5 -3 0 0 9 -2 4 5 4 1 3 2 1 7 31 5 I -2 7 5 5 一I 5 7 5 2 0 -3 4 1 2 -3 6 3 6 1 8 2 5 -3 7 l 5 -4 7 5 7 -2 0 2 3 0 -4 0 1 7 5 5 8 -2 2 J 2 -6 67 1 0 2 5 2 2 确定补偿 网络 幅频 衰减 特 I生 根 据 电缆补偿要求，则 补偿 网络和电缆 的幅频 特性 有如下关 系：I )=K 0(f )(5)式 中K 为补偿 后 频带 上 限以上某 个频 率 的 电缆 幅 度衰 d B数 本例 选 3 0 MHz，此 时 K o 一 4 0 d B ()为需要的补偿网络 幅频特性；。)为电缆幅频衰减特性 由上式计 算得需要的补偿 网络 幅频 特性 数据列 于表 3。维普资讯 http:/ 4 4 置测遥控 第 卷第 4期 袁 3需 要 的 补 偿 网络 幅 频 特 性数 据 1 l 0 5 -3 9 3 2 5 3 l 5 1 2 一l 3 0 7 -3 8 3 5 3 -2 9 7 1 5 1 0 0 9 -3 7 5 5 4 -2 6 8 1 7 -8 5 1 -3 7 2 5 5 2 4 2 5 2 O 6 1 2 -3 6 3 7 6 -2 2 2 5 -3 1 5 -3 5 2 5 7 1 9 8 3 0 0 1 7 -3 4 5 8 一l S 2 -3 3 3 3 l 0 一1 4 8 根据表 3所列数 据绘制成 的补偿网络幅 颇 特性 曲线于示 图 4。图 4补 偿 网络 特 性 曲 线 从 图 4可以看 出，所需的补偿网络是高 通型 的 上边 已经 谈到高通型网络可以通过 设置极零对 的方法 来实现。因此，对高通型 网络 的设计，首先是设 计极零对 3 极零对参数计算 根 据所 需的补偿 网络幅频特l 眭，需设置 4个极 零对 极 零对参数可按下式选取。4 (m)=2 0 1 g 1+)L 将计 算得 到 的补偿 网 络幅频 特性 2 )与 所 需 的 补偿 网络 幅 频 特 性)进 行 比 较，根据偏差情况，调整 极零 对 的设计，并 重新计算补偿 网络幅频 特性。依 此类 推，这 样就可 以逐步使计 算得 到的补偿 网络幅频 特 性逼近所需 的补偿 网络幅频特性。满 足逼近 要求 的极零 对设 置方案，就是 我们所要 的极 零 对 评定极 零对逼近要求 的数式，就是平方 差函数：1 =D )(7)”式 中的 f j 是在补偿带宽 上所取 的一组频 率 因此，最好的 补偿 网络设计应是 选取 为最小的那组极零对。但 是，这一最 小化过 程必须按逐次逼近 的方法来完 成 经 过多次 逼 近 计算 得 到 比较 满 意 的极 零 对 参数 如 下：Z【=0 8 5，P1=1 6 5，Z2=2 1 5，=8 6 5，Z=l=8 8 5，P 3=2 0 6 5，z 4=4 0 5，MHz 一2 4 1 5 M Hz。根据 上述极 零对参数计算 出的补偿 网络 幅频特性参 数列 于表 4。表 4计算 的补偿 网络 幅频特 性参数 2 2 0 5 -3 9 5 2 2 5 3 1 0 6 1 2 一I 2 4 0 7 -3 8 6 4 3 -29 3 6 1 5 -9 7 6 0 9 -3 7 6 9 4 26 31 I 7 -8 41 1 3 7 2 2 5 -23 6 8 2 0 -6 8 2 1 2 -3 6 2 9 6 2 1 3 8 2 5 -4 97 I 5 -3 4 9 6 7 一l 9 3 8 3 0 -3，75 l 7 -3 4 1 2 8 1 7 6 2 2 -3 2 9 2 1 0 1 4 7 4 误 差分 析 为 了 比较 补偿 网络和 电缆 的 幅频 特性，现将 电缆 幅频特 性、需要 的补偿 网络特性和 计算得到的补偿网络幅频特性汇总于表 5。由表 5看 出，除 2 0 MHz以 上 部 分 之 外，只有个别频率点 的偏差大于 0 5 d B。这)。_ (+=J色 螬 培 4=4 I1 一+维普资讯 http:/ 9 9 0年 8月 遥测遥控 4 5 样，完全 可以满足瞬态信号测量精度要 求 表 电缆、需要 补 偿 网络、计 算 出的 1 z 2-Rt 0 5 -0 7 -3 9 3 -3 9 5 2 _ 0 2 2 O 7 1 6 5 -3 8 3 5 -3 8 6 4 _ 0 2 9 0,9 -2 4 5 -3 7 5 5 -3 6 9 -0 1 4 1 -2 7 5 -3 7 2 5 -3 7 2 2 铷0 3 1 2 -3 6 3 -3 6 3 7 -3 6 2 9 0 0 8 I _ 5 -4 7 5 -3 5 2 5 -3 4 9 6 0 2 9 I _ 7 -5 5 -3 4 5 -3 4 1 2 0 3 8 2 -6 6 7 -3 3 3 3 -3 2 9 2 0 41 2 5 -8 5 3 1 5 3 1 0 6 0 4 4 3 1 0 3 2 9 7 -2 9 3 6 0 3 4 4 一l 3 2 2 6 8 2 6 3 l O 4 9 5 一l 5 7 5 -2 4 2 5 -2 3 6 8 0 5 7 6 -1 8 -2 2 -21 3 8 0 6 2 7 -2 0 2 1 9 8 -1 9 3 8 04 2 8 -2 2 1 8 一l 7 6 2 0 3 8 1 O 25 2 -1 4 8 一l 4 7 0 1 l 2 -2 7 一l 3 1 2 4 0 6 1 5 -3 0 一l 0 9 7 6 0 2 4 f 1 7 -3 1 5 -8 5 8-4l 0 0 4 2。-3 4 -6 一6 8 2 0 8 2 2 5 -3 7 -3 -497 1 97 3 0 4 0 0 -3 75 3 7 5 三、补偿 网络设 计 补偿网络 的极零对确 定后，就可据此确 定具体补偿网络结构及电气参数 根据计算 结果 来 看，要 把 XYV-7 5-5(1 0 0 0 m)的 长电缆传输系统补偿到足够高的上限频率(2 5 MHz)，所需 要 的 电缆补 偿 网络 幅频 衰 减特性随频率增加而减少的速度超过了每倍 频程 6 d 8。这就需在 这些 频率 范围内设 置多 于一个极零对。而且，当后一个极零对 的零 点低于前一个极零对 的极点 频率 时，补偿器 不能用一个补偿网络来实现，必须把后一个 极零 对分 出来，单独组成 补偿 网络，否则会 出现 负元件值 的情 况。本例的第 四个极 零对(Z ：4 0 5 MHz，1 4 2 4 1 5 MHz)就 属 于 上 述情况。因此，在组成 网络 时，把前三个极 零对组成 为一个网络，后一个极 零对单独组 成 另一个网络。本补偿器 即由 2个补偿网络 构成。1 补偿 网络 电路结构 确 定补偿网络的极零对频率 之后，就可 着手计算补偿网络的元件参数值。为此，首 先要选定 网络的电路结构型式。含有 3 个极零对的补偿网络的电路结构 选用 图 5所示 型式。图 5含 有 3个 极 零 对 的 补 偿 网 络 电路 结 拘 含有一个极零对 的补偿网络电路结构 选 用图 6所示 的结构型式。图 6含 有 个极 零对 的补 偿 网 络 电路 结 构 2 补偿网络参数 计算公式 含有 3个极零对 的补偿 网络 电路参数 计 算公式如下：Cl=K】0 Ro C2=K2 00 Ro F C K3 c o o G R】=R0 Ko 维普资讯 http:/ 遥测遥控 第 1 1 卷第 4期 R2=RI J K2 R3=R0 K3 R4=R0 Zl K4 R5=R0 Z!K5 R6=R0 Z3 K6 L1 一 R0 K4 L2=R0 K 5 L3=R0 K 6 上式 中=7 5 f l ：K 0 K f D K=D K=一 Kd K K 6 A=B=C=D 2 1 0。D C 1A 一BA)F 一(D 2一CA)F+D 3 (一 (G BA)G 一(D 一CA)G+D (一 (，一G)：(Az B Zl+c)(z 2 一 Z1)(z 3-Z1)：(Az B Z2+c)(Z】一 Z2)(z 3-z 2)：(Az B Z3+c)(Z 1 一 Z3)(zz-Z 3)E _ 一 D1 E2 一D 2 E3 一D 3 一Zl+Z2+Z3 D2=Z1 Z2+Zl Z3+Z2 Z3 D 3 一 Z1 Z2 Z3 E1=Pl+P2 十P3 E 2=P 1 P 2+P 1 P 3+P 2 P E3=P1 P，P3 F 一(B 一 B 一 4 C 1 2 A r ：一 G=f +B 一 4 AC)2 A 含有 一个极零对 的补偿 网络 电路参数计 算公式：C4=l 0 R0(P 4-Z 4)R7=R0(P 4 一 z 4)z 4 R8=R0 z4(P 4-Z 4)L 4=R0 00(P 4 一 z4)3 补偿网络 电路参数 若ZI=0 _ 8 5，P1=1 6 5，Z，=2 i 5 P，8 6 5 Z=8 8 5，P =2 0 6 5，Z 4 0 5 M Hz，P 4=2 4 l 5 M Hz，则 根据上述计算公式，算 得补偿网络 电 路 参数如下：C，=2 2 2 21 p f C2=3 1 8 2 pf C 2 6 6 p f RJ=1 2 9 2 k R2 5 9 8 4 k R 1 3 7 3 9 k f l R 5 3 7 R5=2 3 3 6 k f l =2 _ 0 9 4 k f l LI=2 Ol H L2=3 46 H L3=7 5叭 H C=21 l 1 5 pf R=3 7 2 2 2 n=1 5 1 l f l L4=1 1 9 H 4 补偿盒设计 由于补偿网络工作频率 比较高，所 以补 偿 盒的设计要采取特别措施，不能 采用常规 的设计 方法，要采用 同轴结构设计 我们知 道，在 任何 同轴装置 中安装集 总参 数网络都 要引起 阻抗不连续，影响 补偿效果。在分析 了各种同轴结构的性能之后，我们发现其中 矩形同轴传输线较好，因为矩形同轴结构有 电场分 布不均匀 的特点。这样，可 以把 补偿 网络 的集总参数元件安装在场 强 比较低 的区 域，使 它对原 场强 分布 的影响减少 到 最小，而且得 到的阻抗不连续性 比截 面相 当的圆形 同轴结 构小得多。同时也便于安装。矩形同轴传输线的结构设计按图 7曲线 选取 尺寸。在 图 7的 曲线 中，选 取 a A=0 3的 曲线。此 曲线 为输 入阻 抗 与 7 5 f l 的线 相交 点 对 应 的b B：0 2 4，而 本 图 的 BA：O 9。根 据 以上 几个 比例 数据 以及补 偿 网络 电子元 器件的数量体积大小来确定补 维普资讯 http:/ 1 9 9 0年 8月 遥测遥控 4 7 偿盒 的结构尺 寸。J 4 _ L I l I l l l l l 二 蓑 壹 一 一 一 一。l、l、l l 一、l l、L l、l l、L 、1、1，、N、L；、L 一 、萍 、：打二 l r C J l i I O 1 1 l 1 o 2 ，“。”4 图 7矩 彤 同 轴 线 阻 抗 特 性 四、电装 与调试 在 高频设备研 制中，仅有一个好的 电路 和结构设计是远远不 够的 因为 电路安装与 调试对高频设 备的性能影响极大。有时 电路 安装不妥 或调试不 佳，正是 构成设备性能差 的关键 因素 因此，必须认真做好 电装和调 试两个工作 环节 1 电路 安装 如前 所述，在补偿盒设计 中，为 了减少 在矩形 同轴线 中 由于补偿网络的存在而导致 阻抗不连续性的影响，设计规定把元器件安 装在 矩形 同轴线 的场 强分布 比较低 的 区域。这是电路安装 的最重要原则。此外，为 了提 高 补偿 网络 的 补偿 效 果，还 要采 取 以下措 施。(1)元 器件安 装板要 采 用印制 电路板。元器件 之间不要用导线连接。(2)信号地线面积尽量大。即在没有焊 点和元件 的地 方都 可布为地线，保证元器 件能就近接地，减少寄生电容。(3)冗器件焊 接脞 尽量短，以减 少寄q 电感。(4)元器 件尽 量 沿强场 分 布方 安装，以减少财强 场分 布的影响(5)印制线拐弯时要 圆滑 过渡，不 允许 有尖 角或 毛刺。(6)焊 点 要 圆 滑，不 允 许 有 点 锋 或 毛 刺。2 整机调试 补偿 网络 电路安装后，要进行整机调 试。和一般 电路不 同，补偿 网络 的整机 调试 是一项复杂、繁琐 的工 作，工作嚣很 大 它 在整个研制过程 中 占有 非常 突出的地 位 这 不仅 因为调试工作量大 于生产工作 量、而目 还 由于 下 述 因素，增 加 了整 机调 试 的 重要 性。(1)补偿 网 络 的 电路 参 数 是计 算 出来 的，很不规范。在 元器件参数 选择时，不可 能使选到 的元器件 参数 和计 算 出来 的完全一 致。因此，只能选择参数相 近的元器件。因 此，实 际补偿 网络特性 和计算 出来的补偿 阿 络特性是有差异 的，需进行整 机调 试。(2)即使 挑选 出来 的元 器件参数 与汁算 出来 的参数很 一致，但焊接 必然引进分布 电 感 和分布 电容。因此，补偿网 络 中的 电感、电容器 件参数会 因焊接而 发生变化 这也需 要进行 整机 调试(3)在 补 偿 网 络设 计 中，经 过 许多 环 节，如极零 对频率确定、长电缆幅频衰减特 性测量、需要 的补偿网络 参数修正 以及补偿 网络电路参数计算等，都带来误差，影响补 偿 效果。而减 少这些 误差，提 高补偿 效果，单靠设计 过程有时很难 实现，需要通过精心 的整 机调试 才能获得 良好的效果。参 考 文献(I)黄豹蔡振霞，新的高频同轴电缆补偿 原 理 试 验 与研究 ，1 9 8 3 年 第 5期(2 3 MI CROWAVE S AP RI L、1 9 6 8年 维普资讯 http:/