微弱信号远距离传输特性分析与应用

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国际热核聚变反应实验堆ITER项目软X射线(波长为0.11nm的粒子流)诊断系统中,其抗强辐射软X射线探测装置通过硅光电二极管将核聚变产生的光信号转换成电信号(10nA-10μA),该微弱电信号需通过互连的特种电缆及LEMO连接器进行传输,随之产生的信号完整性问题,需对其分析与研究。本文基于电磁场仿真和相关传输线、信号完整性理论,对信号在其中的反射、串扰和衰减等敏感参数进行了仿真分析并结合实际测试,验证和评估所选电缆及连接器应用的可行性。研究成果可作为电缆及连接器的选型、仿真测试和可靠性评估的重要依据。首先,本研究主要针对米量级双绞线电缆中信号反射问题,基于HFSS和ADS仿真软件对电缆进行建模与分析。为解决长距离电缆对实验室计算机的硬件资源要求高的问题,提出利用S参数级联的方法来仿真分析,并从传输线电路模型和电磁仿真三维模型两个角度出发,对信号在电缆中的反射问题做了研究和分析,仿真结果表明两种电缆线长与电缆固有的谐振频率点存在指数关系,不同频率输入信号在该电缆中的插入损耗S21与电缆的长度具有一次函数关系。其次,为选择一款满足复杂电磁辐射环境下用于信号远传的连接器,本文基于CST仿真软件对一款B系列的LEMO连接器做了仿真研究。在连接器工作频带内,对连接器的衰减、反射、传输延时及磁屏蔽性能进行了仿真分析,对连接器拐角造成的传输线的不连续性从而产生的对信号传输的影响做了重点研究,并利用了场与路协同仿真的原理,对连接器中差分对之间产生的串扰问题进行了仿真分析。实验结果表明在连接器的工作频带内,插入损耗不低于-0.5dB,传输延时为0.65ns,针芯的拐角值对应的插入损耗、回波损耗均与频率存在指数关系,连接器具有良好的磁屏蔽效果,串扰幅值与频率具有二次函数关系。最后,利用频谱分析仪等设备对电缆、互连的电缆及连接器的衰减和连接器的串扰进行测试分析,测试结果与仿真结果具有较好的一致性。
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