专利名称：有耗非均匀微带线高速脉冲信号成形技术的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种使用传输线的脉冲信号成形技术，尤其涉及一种有耗非均匀微带线高速脉冲信号成形技术，属于电子技术领域。
脉冲成形技术是一项可以得到任意形状的电压脉冲信号的技术，在多个领域有着广泛应用。如高速集成电路中信号在连接线上传输时要产生形状畸变，通过脉冲成形技术可使这种畸变降至最小；又如激光热熔化实验需要形状非常特殊的高压脉冲信号，只有通过专门的脉冲成形技术才能实现。脉冲成形有多种技术方案，最近10年发展起来的使用微波传输线的技术具有成本低、功能强、实施方便的优点，受到了特别重视。微带线常用作高速集成电路中的信号连接线，如考虑其损耗，则在输出端接收到的信号往往要产生形状畸变。在IEEE Trans.On MTT.Vol.38，No.10，October 1990刊登的一篇文献(Arbitrary Pulse Shape Synthesis viaNonuniform Transmission Lines)中，给出了传输线脉冲成形技术的基本原理，使用离散逆散射技术确定非均匀传输线的阻抗沿长度的分布，使之能产生任意形状的反射波，应用直接或所谓“层剥离”算法得到阻抗分布，并用带状线实现了这一阻抗分布，即通过设计特定形状的无耗非均匀微带线，在其输入端得到所需形状的反射脉冲信号。这种脉冲成形技术有两个缺点。一是不能处理有耗传输线问题，面当脉冲速度提高时，由于信号频谱的变宽和传输线尺寸的减小，传输线的损耗必须考虑；二是所需信号只能在输入端得到，限制了激励源的选择，给使用带来了不便。
本发明的目的在于针对目前无耗传输线脉冲信号成形技术的上述不足，利用传输线理论设计一种新的有耗非均匀微带线，可以将传输线的损耗考虑进去，并且能在其输出端产生所需形状的高速脉冲信号。
为实现这样的目的，本发明的技术方案是根据微波传输线理论，对于给定的激励信号，利用信号的传输规律设计出一根特定形状的有耗非均匀信号传输线，在传输线的终端得到所需形状的高速脉冲信号。具体如下本发明所采用的有耗非均匀传输线可以是带状线或微带线，对其衬底和导电金属材料没有特殊的要求，用常规的陶瓷和铜即可。信号导体的厚度在横截面及长度方向均匀，宽度随长度变化，变化的方式是本项技术的关键。微带线的横截面尺寸应保证在所需脉冲信号的频谱范围内满足传输准横电磁(TEM)波的条件，即横截面尺寸明显小于高频端的典型波长。设所需脉冲信号的维持时间是2T，则设计出的微带线的延时应该大于T。
本发明所设计的非均匀传输线由m段短的均匀线级联而成，每段均匀线的长度可各不相同，但延时都一样，为h＝2T/m。m的值应足够大，使h可以当作所需脉冲信号的取样时间间隔。按照上述要求选定微带线的材料种类与介质厚度H后，第一段均匀微带线的宽度W1可在0.25H＜W1＜2H范围内任意选定。根据微带线上信号传输的电报方程，由信号响应分析的特征法可得微带线两端信号之间的数值关系式[v0][i0]=[T][vm][im]]]>式中[v0]是个n(n≤m)维矢量，元素为第一段均匀微带线激励端电压信号在时间t＝2jh处的取样值，j＝0，1，…n-1。[vm]是元素为第m段均匀微带线输出端电压信号在时间t＝τ+2jh处的取样值的n维矢量，j＝0，1，…n-1，实际上就是所需脉冲信号在均匀分布的n个时间取样点上的值。[i0]、[im]是相应的电流取样值矢量，[i0]可通过激励源和输入电阻Rin表达为[v0]的线性函数，[im]则可从[vm]根据微带线输出端的边界条件求得。该处的边界条件取决于用户指定的终端设备。关系式中矩阵[T]为各段均匀传输线的特性阻抗Zk和电阻Rk的函数，详细表达式在下面给出。由于各段均匀传输线唯一可变的量是导体宽度Wk，因此Zk、Rk不是独立变量。关系式中包含2n个非线性代数方程，(m+n)个未知量，即Zk(k＝1，2，…，m)和[v0]的n个元素。从中解出Zk后可从传输线的特性阻抗-宽度曲线得到每一段均匀传输线的信号导体宽度Wk，并根据其延时h确定每一段均匀传输线的长度Dk.，Wk与Dk.确定了非均匀传输线的信号导体宽度随其长度变化的方式，利用据此制作的传输线即可得到所需形状的脉冲信号。上述微带线两端信号之间的数值关系式中矩阵[T]的表达式[T]=IIk=1m[Tk]---(1)]]>式中[Tk]=T1kT2kT3kT4k---(2)]]>是一个2n维方阵，其四个子矩阵的表达式如下
在(3)-(6)式中T1k(ij)，T2k(ij)，T3k(ij)及T4k(ij)分别是矩阵T1k，T2k，T3kandT4k的第i行第j列元素的值。(3)-(6)式等号右边各个量的表达式为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与Gk分别表示组成非均匀传输线的第k段均匀线的电感、电容、电阻与电导分布参数，h是每一段均匀线的延时，也是信号取样的时间步长。在本发明的设计中，认为介质漏电损耗G可以忽略。
本发明提供的有耗非均匀微带线高速脉冲成形技术，根据微波传输线的理论与技术，将微带线设计为非均匀的形状，从微带线两端取样信号之间的数值关系式来确定传输线信号导体的宽度随其长度坐标变化的方式，可将传输线的损耗考虑进去，且在传输线的输出端得到所需形状的脉冲信号，因此同时克服了传统的利用传输线的脉冲成形技术的两个缺点。激励信号可以是梯形脉冲和阶跃脉冲，通过输入电阻Rin加到微带线的一端。Rin的阻值可在10Ω到1000Ω范围内任意选定。
图1为本发明产生高速脉冲信号的电路示意图。
图中，激励信号源1产生的激励信号通过输入电阻Rin接到有耗非均匀微带线2的一端，有耗非均匀微带线2由m段的均匀线级联而成，[v0]、[vm]分别为非均匀微带线2上第1段均匀微带线的输入端和第m段均匀微带线输出端电压信号的取样值，非均匀微带线的另一端连接用户指定的终端设备3。产生的脉冲信号的最快上升时间可小于100ps。
为更好地理解本发明的技术解决方案，下面结合具体的一个实施例作进一步描述。
实施例中将微带线用作高速集成电路中的信号连接线，考虑其损耗，为避免输出端接收到的信号产生形状畸变，利用本发明技术，将微带线设计为非均匀的形状，使由损耗引起的畸变与微带阻抗非均匀性产生的信号反射所引起的畸变互相抵消，则可在输出端接收到无畸变的信号，且其幅度可任意控制。
附图2为本发明的实施例电路示意图。
图中，有耗非均匀微带线2连接在两个阻值分别为40Ω与450Ω的电阻之间，并由激励信号源1产生的一个上升时间为240ps的单位脉冲信号激励。
附图3为本发明实施例中的有耗非均匀微带线的结构示意图。
如图中所示，微带线的衬底厚度H为90mm，衬底的介电常数ετ为9.8，信号导体4厚度T为5mm，导体宽度第一段W1取值30mm。
附图4给出了附图2电路中的输出电压Vout。
其中，实线为本发明设计出的非均匀微带线产生的无畸变信号，虚线为均匀微带线产生的畸变信号。
附图5为本发明设计的非均匀微带线的信号导体宽度W、特性阻抗Z及损耗φ随长度坐标的变化曲线。
其中，信号导体宽度W的单位为nm，特征阻抗Z的单位为Ω，损耗φ的单位为100Ω，横坐标为信号导体分成均匀线的段数编号。
在此实施例中，利用本发明提供的使用传输线的高速脉冲信号成形技术，将微带线设计为非均匀线，信号导体的宽度按照图5中曲线W的方式随其长度坐标变化，则输出电压如图4中的实线所示。图4中的虚线是信号导体的宽度不随长度变化(即均匀微带线)时的输出电压Vout，显然与输入信号相比存在形状的变化，这在高速电路中是不希望出现的。本发明提供的高速脉冲成形技术不仅没有形状畸变，而且由于设计合理，信号的幅度也与激励信号一样，因此信号完全保真。
权利要求
1.一种有耗非均匀微带线高速脉冲信号成形技术，将激励信号源输出的信号，经微波传输线到终端设备，得到所需的特殊形状信号，其特征在于所说的微波传输线为特定形状的有耗非均匀微带线，由m段短的均匀线级联而成，每段均匀线的长度可各不相同，延时h＝2T/m作为所需脉冲信号的取样时间间隔，其信号导体的厚度在横截面及长度方向均匀，宽度随长度变化，其变化方式根据微波传输线的理论和技术，从微带线两端信号之间的数值关系式确定。
全文摘要
一种有耗非均匀微带线高速脉冲信号成形技术,将激励信号源输出的信号,经特定形状的有耗非均匀微带线成形,微带线由m段短的均匀线级联而成,每段均匀线的长度可各不相同,其信号导体的厚度在横截面及长度方向均匀,宽度随长度变化,其变化方式根据微波传输线的理论和技术,从微带线两端信号之间的数值关系式确定。本发明提供的高速脉冲信号成形技术,考虑了传输线的损耗,且可在传输线的输出端得到所需形状的脉冲信号。
文档编号H01P3/08GK1247389SQ9911382
公开日2000年3月15日 申请日期1999年6月29日 优先权日1999年6月29日
发明者毛军发 申请人:上海交通大学