核心内参: TDR原理及常见问题
摘要
本文简单介绍TDR的基本原理，包含与反射的关系；在ANSYS工具中的仿真方法，包含HFSS、Circuit中仿真TDR，以及SIwave TDR Wizard的使用；最后列举了三个TDR常见的问题及其原因分析。希望本文可以帮助相关初学者快速了解TDR有关的知识。
01 TDR基本原理
TDR（Time Domain Reflectometry）：时域反射计是一种利用反射信号来推算待测件（DUT）的阻抗的一种测试方法，可以用来验证PCB、封装、连接器和线缆等设计是否满足阻抗要求，在高速电路设计、PCB加工制造、设计失效分析等方面中有广泛的应用。
首先需要回顾一下传输线的反射。反射是由阻抗不连续导致的一种信号变化的现象，通常用反射系数来表示反射的大小，即反射信号与入射信号的比值，其计算公式如下。
上式中的
是参考阻抗，
是负载阻抗。假如
就是我们需要求解的未知量，由上式变换可得：
这便是TDR根据反射信号来推算待测件阻抗的原理。以图 1所示的简单电路为例，信号源是0~2V的脉冲信号，延时0ns，上升下降沿1ps；源端串阻和末端端接电阻都是50ohm；中间无损传输线75ohm，延时0.5ns���我们可以根据已知的条件来计算反射信号，过程如下：
两端的反射系数
T=0ns时，
,
T=0.5ns时，
，
T=1ns时，
，
T=1.5ns时，
…
最终V2和V3都会稳定在1V。（如果电路中阻抗不连续点数量很多，则通过手动计算反射变得非常复杂，此时需要借助仿真）
图 1 Circuit中搭建的简单电路
以上是根据已知的阻抗信息以及反射的原理求V2和V3处的信号幅值，可以跟仿真的结果完全一致，如图 2所示的仿真结果：
图 2 Circuit仿真的V2和V3点的幅值
反之，根据V2的信号幅值可以观察传输线的阻抗，编辑公式如下：
如图 3所示，可以看到结果显示的阻抗正是75ohm，但请注意75ohm持续的时间是1ns，是这段传输线延迟的2倍，是因为传输和反射回来刚好需要2倍的时间。
上述的简单案例说明了反射和TDR的关系。根据上述的方法，可以将中间的传输线替换成其他待测件（比如常见的S参数）来观察TDR阻抗。
图 3 Circuit仿真的中间传输线的阻抗
02 在ANSYS的工具中仿真TDR
由上文讲述的原理来看，只要可以计算反射信号就可以得到TDR，因此在任何一个电路仿真工具中都可以做TDR的仿真。这部分不是难点，下文只是简单介绍三个工具的TDR仿真操作。
A: HFSS中的TDR
对于在HFSS中仿真的模型（如过孔、连接器、传输线等），在HFSS中仿真完之后可以直接观察TDR。以Driven Terminal求解模式为例，如图 4所示在仿真求解完之后，Plot Result界面中，Domain选择为Time，此时在结果中会出现Terminal TDR Impedance，选择需要的TDR观察就可以了。
图 4 HFSS中Plot TDR的设置界面
TDR Options选项里面可以设置上升沿、窗函数等功能，上升沿时间并非可以设置为任何值，需要根据求解的扫频宽度来判断，可以利用Sweep界面的Time Domain Calculation工具来计算信号上升沿时间和扫频宽度的关系，如图 5所示。需要注意的是HFSS中扫频宽度如果不够、或者网格质量很差，TDR结果则会不准确，在常见问题中会有案例说明。
图 5 Time Domain Calculation的界面
在Circuit中除了上文提到的编辑公式来计算TDR之外，软件内置的TDRSource源可以很方便来仿真TDR，TDRSource有单端和差分两种。如图 6所示，只需将TDRSource放置在待测电路中，设置好上升沿时间、内部延时和器件内，然后进行时域Transient仿真。在结果的Device Properties中选择需要观察的TDR进行Plot即可。
图 6 Circuit中用TDRSource进行TDR仿真及结果
SIwave中的TDRwizard仿真（如图 7所示）工具只需四步设置就可以对批量信号进行TDR仿真分析，使用起来非常方便。
图 7 SIwave中TDRwizard仿真按钮
其设置比较简单，不在此细讲。仿真过程是用SIwave的求解器提取所选网络的S参数文件，然后自动在Circuit中生成Netlist调用该S参数文件，并根据设置好的参数进行Transient仿真得到TDR的结果，如图 8所示。
图 8 TDRwizard调用Circuit 自动生成Netlist仿真TDR
03 常见问题
下文介绍几个TDR仿真中常见的问题。
仿真一段均匀传输线，按理来说均匀传输线的阻抗不会发生变化，但是观察TDR会发现曲线会往上飘。其原因是仿真中的传输线一般使用的是铜材质，其电导率不是理想的无穷大， DC的损耗引起的。如图 9所示，红色TDR曲线是传输线材料为铜箔；蓝色曲线是将传输线设置为PEC。
图 9均匀传输线的TDR结果
已知一段均匀传输线的阻抗为92.92ohm，但是用HFSS进行仿真得到图 10红色曲线，此时得到传输线的阻抗为91.6ohm（图中Mark1），此处看起来阻抗有差异。红色曲线往上飘的原因在上文已经解释了，我们将传输线改为PEC然后在Setup中减小Delta S为0.01，在Advanced设置中将Port Delta Z设置为0.1%（默认1%），并指定Wave Port端口最小网格数，得到的蓝色曲线Mark 3为端口阻抗92.9已经很精确了；Mark 2为传输线的阻抗92.52ohm与精确值差异0.4ohm。
图 10 HFSS中均匀传输线的TDR结果
图 11 HFSS中的仿真设置
经常有用户在HFSS中仿真传输线或PCB的通道，通过TDR来观察其阻抗值与实际设计值，发现差异很大。以上文的案例，总结一下在HFSS中仿真TDR的几点注意事项：
Delta S设置尽量小一点；也可以将收敛判据需要改为S11，收敛精度1%；
端口阻抗改为0.1%，并且指定最少端口网格数量；
对于均匀传输线，使用Waveport Deembed的方式来延伸，建模长度仅需很短；
设置的上升沿时间要根据扫频宽度来定，反之亦然。
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