双端匹配电容分压器的结构设计与实验

作者： 国自电气 时间：2024-07-14 09:24:51 阅读：82

根据分析可知，改进的双端匹配电容分压器工程设计的关键是高压臂电容C1、低压臂电容C2，以及电缆末端的匹配电阻R2和电 容C3的结构设计。对于始端电阻R1，由于选取阻值为60～75Ω，则对于低于100MHz的信号而言，普通同轴结构的分布电感和电容的影响均较小。电容分压器的C1和C2采用传统的“伞形”结构，不使用外加的并联补偿电容。使用铜箔形成结构电容。根据包含杂散参数的等效电路的仿真可知：分压器的对地电容C2的电感必须得到有效的控制。通常情况下，电容分压器的中间电极基本不改变从内导体到外导体的电场分布，即电场总是垂直通过探头表面的，因此，C1和C2的结构电感极小（如果忽略电极的边缘效应，可视为无感），分压器响应良好。对于电缆末端的匹配电阻R2和电  容C3，定性分析可知，如果C3的结构电感达到10nH量级，会导致电容分压器在频率达到10 MHz量级以上时频率特性不佳，该结构电感需要加以控制。使用无引脚的同轴结构电容，并将多个电阻并联是控制电感的有效方法。因此，本电容分压器采用同轴结构设计，C3使用一个穿心电容，R2采 6个300Ω的电阻并联，焊接在印制电路板上而成，结构参见图。为了准确获得分压器方波响应的比对波形，避免由于信号馈入的畸变影响实验结果的分析，同时也便于实验测量电容分压器的频率响应特性，将电容分压器安装在一个阻抗为50 Ω标定室上。标定室阻抗与网络分析仪以及方波信号源匹配，且频响满足要求。根据分析可知，如果在其它（实际应用）传输线上制作结构完全相同的电容分压器，则分压器的响应特性不变。

分压器实验包括方波响应实验和幅频特性实验。方波实验中，标定室的输入端连接方波脉冲信号发生器，输出端通过衰减器用示波器测量；电容分压器的输出用示波器另一个通道记录。实验中，方波源的幅值约为2kV，前沿约为10ns，脉宽约为1μs。幅频特性是将矢量网络分析仪的端口1作为输入连接在标定室的一端；将矢量网络分析仪配备的标准50Ω作为负载连接在另一端；将电容分压器电缆末端负载的输出连接网络分析仪配套的高阻探头（带宽300kHz～3GHz），其输出接网络分析仪的端口2；测量S21参数即为电容分压器的幅频特性曲线。为了验证C2与分压器响应特性以及对电缆长度选择的影响，进行了改变C2的实验。由于标定室直径的限制，C2的面积无法很大，因此只开展了C2≈1.4nF及C2≈2nF的验证实验，方波响应实验和幅频特性实验结果分别参见图9和图10。为便于比较，波形也进行了归一化。

设计C2≈1.4 nF时，当选择电长度为50 ns同轴电缆时（设计R1=93 Ω，C3=2 nF），方波响应波形的过冲δ≈7%，与图6所示的理论预期基本一致；采用电长度为25 ns的电缆时，分压器的方波响应基本无过冲，满足测试需求。C2≈2nF时，选择电长度为50ns同轴电缆时（R1=75Ω，C3=2nF），方波响应波形的过冲δ＜2%，也满足测试需求。从图9可以看出：C2≈1.4 nF，连接电长度为50 ns电缆的分压器幅频特性10 MHz附近的中频段不平坦程度略大（对应方波响应波形的过冲）；但是C2≈2nF的分压器在300MHz以上的高频段增益更严重，主要原因是C2的杂散参数导致。即，当C2增大时，C2的杂散参数也增大了，同时C2的容抗反而降低了，因此导致分压器的高频特性变差。如果测试信号中包含较高频率的干扰信号时，该分压器的输出波形容易叠加高频干扰。所以，从工程设计的角度出发，即使采用改进的双端匹配方式，测试电缆长度的增加仍然受到高频响应能力的限制。

结论

改进的双端匹配电容分压器可以解决测量脉宽达到μs量级的方波信号时的平顶衰落问题。仿真计算表明：传统的双端匹配方式虽然瞬态分压比与稳态分压比相同，但中频段的幅频特性并不平坦，方波响应波形存在过冲等现象。当低压臂电容为2nF，针对电长度为50ns的电缆，传统的双端匹配电容分压器方波响应波形的过冲超过10%。通过对始端电阻以及对应的末端电容的优化设计，可以减小过冲问题。实验结果表明：对于低压臂电容为2nF，使用电长度为50ns的电缆的分压器，设计始端电阻为75Ω，终端使用50Ω串 联2nF电容的改进双端匹配方式，测试波形无平顶衰落，且过冲小于2%。