시간 영역 반사계

시간 영역 반사계(TDR)는 반사 파형을 관찰하여 전선의 특성을 결정하기 위해 사용되는 전자 기기입니다.

금속 케이블(예: 트위스트 페어 와이어 또는 동축 케이블)^[1]의 결함을 특성화하고 찾는 데 사용할 수 있습니다.또한 커넥터, 프린트 회로 기판 또는 기타 전기 경로의 불연속 부분을 찾는 데도 사용할 수 있습니다.

묘사

TDR은 도체를 따라 반사를 측정합니다.이러한 반사를 측정하기 위해 TDR은 입사 신호를 도체에 전송하고 반사 신호를 수신합니다.도체의 임피던스가 균일하고 올바르게 종단되어 있으면 반사가 발생하지 않고 나머지 입사신호는 종단부에 의해 원단에서 흡수됩니다.대신 임피던스 변동이 있는 경우 입사 신호의 일부가 소스로 반사됩니다.TDR은 원칙적으로 레이더와 유사합니다.

불연속성의 임피던스는 반사된 신호의 진폭에서 확인할 수 있습니다.반사 임피던스까지의 거리는 펄스가 돌아오는 데 걸리는 시간으로부터도 확인할 수 있습니다.이 방법의 제한은 최소 시스템 상승 시간입니다.총 상승 시간은 구동 펄스의 상승 시간과 반사를 모니터링하는 오실로스코프 또는 샘플러의 상승 시간을 합친 값으로 구성됩니다.

방법

TDR 분석은 에너지 단계 또는 임펄스를 시스템에 전파하고 시스템에 의해 반사된 에너지를 관찰하는 것으로 시작합니다.반사된 파형의 크기, 지속시간 및 형상을 해석함으로써 전송계에서의 임피던스 변동의 성질을 판정할 수 있다.

순저항부하가 반사계의 출력에 가해지고 스텝신호가 인가되면 디스플레이에 스텝신호가 관측되며 그 높이가 저항의 함수이다.저항 부하에 의해 생성되는 단계의 크기는 다음과 같이 입력 신호의 비율로 나타낼 수 있습니다.

$\displaystyle \rho = frac {R_{L}-Z_{0} {R_{L}+Z_{0}}}}}$

${\displaystyle {여기}_{}}$서 Z 0$(\$은 전송 라인의 특성 임피던스입니다.

반사

일반적으로 반사는 입사 신호와 같은 형태를 갖지만 그 부호 및 크기는 임피던스 레벨의 변화에 따라 달라집니다.임피던스가 한 단계 증가하면 반사는 입사 신호와 같은 부호를 가지며 임피던스가 한 단계 감소하면 반사는 반대 부호를 가집니다.반사의 크기는 임피던스 변화의 양뿐만 아니라 도체의 손실에 따라 달라집니다.

반사는 TDR에 대한 출력/입력 시 측정되며 시간의 함수로 표시 또는 플롯됩니다.또, 소정의 송신 매체에 대해서 신호 전파 속도가 거의 일정하기 때문에, 케이블 길이의 함수로써의 표시를 읽어낼 수 있다.

임피던스 변화에 대한 감도가 높기 때문에 TDR을 사용하여 케이블 임피던스 특성, 스플라이스 및 커넥터 위치 및 관련 손실을 확인하고 케이블 길이를 추정할 수 있습니다.

사고 신호

TDR은 다른 사고 신호를 사용합니다.일부 TDR은 도체를 따라 펄스를 전송합니다. 이러한 기기의 분해능은 종종 펄스의 폭입니다.좁은 펄스는 뛰어난 분해능을 제공할 수 있지만 긴 케이블로 감쇠되는 고주파 신호 성분이 있습니다.맥박의 모양은 종종 반주기 ^[2]정현동이다.긴 케이블의 경우 더 넓은 펄스 폭이 사용됩니다.

고속 상승 시간 스텝도 사용됩니다.계측기는 전체 펄스의 반사를 찾는 ^[3]대신 매우 빠른 상승 에지와 관련이 있습니다.1970년대 테크놀로지 TDR에서는 상승시간이 ^[4][5][6]25ps인 스텝을 사용했습니다.

다른 TDR은 복잡한 신호를 전송하여 상관 기술로 반사를 검출합니다.확산 스펙트럼 시간 영역 반사 측정을 참조하십시오.

변형 및 확장

광섬유에 상당하는 디바이스는 광시역 반사계입니다.

Time-Domain Transmissionometry(TDT; 시간 영역 전송 측정)는 (반사가 아닌) 전송 임펄스를 측정하는 유사한 기술입니다.이러한 기능을 조합하면, 동축 케이블이나 광섬유등의 전기 또는 광전송 미디어를 분석할 수 있는 강력한 수단이 됩니다.

TDR에는 다양한 종류가 있습니다.예를 들어 확산 스펙트럼 시간 영역 반사계(SSTDR)는 항공기 배선과 ^[7]같은 복잡하고 소음이 큰 시스템의 간헐적 고장을 감지하는 데 사용된다.COTDR(comminent optical time domain reflectometry)은 광학 시스템에서 사용되는 또 다른 변형으로, 반환된 신호가 로컬 오실레이터와 혼합된 다음 ^[8]노이즈를 줄이기 위해 필터링됩니다.

트레이스 예시

이들 트레이스는 50옴의 특성 임피던스를 가진 약 30m(100피트)의 동축케이블에 접속된 공통 랩기기로 만든 시간 영역 반사계에 의해 작성되었습니다.이 케이블의 전파 속도는 진공 상태에서의 광속의 약 66%입니다.

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  랩 기기를 사용한 심플한 TDR

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  랩 기기를 사용한 심플한 TDR

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  오픈 터미네이션이 있는 전송로의 TDR 트레이스

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  단락 종단 전송로의 TDR 트레이스

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  1nF 캐패시터 터미네이션이 있는 전송로의 TDR 트레이스

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  거의 이상적인 종단을 가진 전송로의 TDR 트레이스

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  오실로스코프 고임피던스 입력으로 종단된 전송 라인의 TDR 트레이스.파란색 트레이스는 멀리 보이는 펄스입니다.각 채널의 기준선이 보이도록 오프셋됩니다.

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  일치하는 소스로부터의 스텝 입력에 의해 구동되는 오실로스코프 고임피던스 입력으로 종단된 전송선의 TDR 트레이스.파란색 트레이스는 원단에서 볼 수 있는 신호입니다.

이러한 트레이스는 25ps의 risetime, 35ps의 risetime 및 18인치(0.46m)의 SMA ^[9]케이블을 사용하는 스텝 파형을 사용하여 상용 TDR에 의해 작성되었습니다.SMA 케이블의 원단이 열린 채로 있거나, 다른 어댑터에 접속되어 있었다.펄스가 케이블을 따라 이동하여 반사되어 샘플링 헤드에 도달하는 데 약 3ns가 걸립니다.일부 트레이스에서는 두 번째 반사(약 6ns)를 볼 수 있습니다.이는 반사에 의해 샘플링 헤드에서 작은 불일치가 발견되어 또 다른 "사고"파가 케이블을 따라 이동하기 때문입니다.

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  분리된 SMA 수컷 커넥터에 대한 스텝의 TDR(정밀 개방)
  수평: 1 ns/div
  수직: 0.5µ/div

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  분리된 APC-7mm 커넥터에 대한 TDR 스텝

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  APC-7mm 정밀 오픈 스텝의 TDR

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  APC-7mm 정밀하중에 대한 스텝의 TDR

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  APC-7mm 정밀도 쇼트 스텝의 TDR

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  APC-7mm 정밀 오픈 스텝의 TDR
  수평: 20 ps/div

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  짝을 이룬 BNC 커넥터 쌍에 대한 스텝의 TDR. 피크 반사는 0.04입니다.
  수평: 200 ps/div
  수직: 20 m2/div

설명.

케이블의 원단이 단락된 경우, 즉 0옴의 임피던스로 종단된 경우, 펄스의 상승 에지가 케이블 아래로 발사되면 시작 지점의 전압이 즉시 소정의 값으로 상승하고 펄스가 단락을 향해 케이블 내에서 전파되기 시작합니다.펄스가 단락에 도달하면 먼 끝에서 에너지가 흡수되지 않습니다.대신 반전된 펄스가 쇼트에서 발사 종료 쪽으로 반사됩니다.이 반사가 최종적으로 발사점에 도달했을 경우에만 이 지점의 전압이 갑자기 0으로 떨어지며 케이블 끝에 단락이 있음을 알립니다.즉, TDR의 방출 펄스가 케이블을 통과하여 에코가 돌아올 때까지 TDR은 케이블 끝에 단락이 있음을 나타내지 않습니다.이 라운드 트립 지연 후에만 TDR에 의해 단락이 검출됩니다.테스트 대상 케이블의 신호 전파 속도를 알면 단락까지의 거리를 측정할 수 있습니다.

케이블의 원단이 개방 회로(무한 임피던스로 종단됨)인 경우에도 같은 영향이 발생합니다.단, 이 경우 원단으로부터의 반사는 원래 펄스와 동일하게 편광되어 상쇄되지 않고 추가됩니다.따라서 라운드 트립 지연 후 TDR의 전압이 원래 인가된 전압의 2배로 갑자기 뛰어오릅니다.

케이블의 원단에서 완전한 종단처리는 반사 없이 인가된 펄스를 완전히 흡수하기 때문에 케이블의 실제 길이를 판단할 수 없습니다.실제로는 거의 항상 작은 반사가 관찰된다.

반사의 크기는 반사계수 또는 θ라고 한다.계수의 범위는 1(단선) ~ -1(단선)입니다.값 0은 반사가 없음을 의미합니다.반사계수는 다음과 같이 계산됩니다.

$(\displaystyle \rho = flac {Z_{t}-Z_{o}}{Z_{t}+Z_{o}}})$

여기서_o Z는 전송 매체의 특성 임피던스로 정의되며_t Z는 전송 라인의 원단에서의 종단 임피던스입니다.

모든 불연속은 종단 임피던스로 간주되어 Z로_t 치환될 수 있습니다.여기에는 특성 임피던스의 급격한 변화가 포함됩니다.예를 들어 프린트기판상의 배선폭은 그 중간부분이 2배로 늘어나면 불연속부가 된다.에너지 중 일부는 구동 소스로 반사되어 나머지 에너지가 전달됩니다.이것은 산란 접합이라고도 합니다.

사용.

시간 영역 반사계는 일반적으로 매우 긴 케이블 런의 현장 테스트에 사용되며, 1킬로미터 길이의 케이블을 파내거나 제거하는 것은 실용적이지 않습니다.TDR은 접합부 및 커넥터의 부식 저항을 감지하고 습기를 흡수하여 절연 누출을 증가시킬 수 있으므로 통신회선의 예방적 유지보수에 필수적입니다.TDR을 사용하여 센티미터 이내의 고장을 정확히 찾아낼 수 있습니다.

또한 TDR은 기술적 감시 대책에 매우 유용한 도구이며, 도청 장치의 존재와 위치를 파악하는 데 도움이 됩니다.탭 또는 스플라이스의 도입에 의한 회선 임피던스의 약간의 변화는 전화 회선에 접속되어 있을 때 TDR 화면에 표시됩니다.

TDR 장치는 신호 트레이스를 사용하여 전송로를 에뮬레이트하는 최신 고주파 프린트 회로 기판의 고장 분석에 필수적인 도구이기도 합니다.반사를 관찰함으로써 볼 그리드 어레이 장치의 미분양 핀을 검출할 수 있다.단락 핀도 비슷한 방법으로 감지될 수 있습니다.

TDR 원리는 집적회로 패키지의 테스트에서 액면 측정까지 다양한 상황에서 산업 환경에서 사용됩니다.전자의 경우 시간 영역 반사계를 사용하여 동일한 장애 사이트를 격리합니다.후자는 주로 프로세스 산업에만 한정됩니다.

레벨 측정 중

TDR 기반 레벨 측정 장치에서 장치는 얇은 도파관(프로브라고 함)을 통해 전파되는 임펄스를 생성합니다(일반적으로 금속 막대 또는 강철 케이블).이 임펄스가 측정 대상 매체의 표면에 닿으면 임펄스의 일부가 도파관을 반사하여 되돌아갑니다.이 장치는 임펄스를 보낸 시간과 반사가 돌아온 시간 사이의 시간 차이를 측정하여 유체 레벨을 결정합니다.센서는 분석된 레벨을 연속 아날로그 신호 또는 스위치 출력 신호로 출력할 수 있습니다.TDR 기술에서 임펄스 속도는 펄스가 전파되는 매체의 유전율에 의해 주로 영향을 받습니다. 매체의 수분 함량과 온도에 따라 크게 달라질 수 있습니다.많은 경우, 이 효과는 과도한 어려움 없이 수정될 수 있습니다.끓는 환경 및/또는 고온 환경 등 경우에 따라 보정이 어려울 수 있습니다.특히 거품/비등 매체에서 거품 높이(폼)와 붕괴된 액면을 결정하는 것은 매우 어려울 수 있다.

댐 앵커 케이블에 사용

전력 조직의 컨소시엄인 CEA Technologies, Inc.(CEATI)의 댐 안전 이해 그룹은 콘크리트 댐 앵커 케이블의 잠재적 고장을 식별하기 위해 확산 스펙트럼 시간 영역 반사계를 적용했다.다른 테스트 방법에 비해 시간 영역 반사 측정의 주요 장점은 이러한 ^[10]테스트의 비파괴적 방법이다.

지구 및 농업 과학에 사용

TDR은 토양 및 다공질 매체의 수분 함량을 측정하기 위해 사용됩니다.지난 20년 동안, 토양, 곡물, 음식, 그리고 침전물의 수분을 측정하는 실질적인 발전이 이루어졌습니다.TDR의 성공 비결은 Hoekstra와 Delaney(1974년) 및 Topp 등(1980년)의 선구적 연구에서 입증되었듯이 재료의 유전율과 수분 함량 사이의 강한 관계 때문에 파동 전파에 의한 물질의 유전율(유전율)을 정확하게 결정할 수 있는 능력이다.이 주제에 대한 최근의 검토와 참조 연구에는 Topp and Renolds(1998), Noborio(2001), Pettinelia 등이 포함된다.(2002), Topp and Ferre (2002), Robinson et al.(2003).TDR 방법은 전송 선로 기술이며, 전송 선로를 따라 전파되는 전자파의 이동 시간(일반적으로 토양 또는 침전물에 두 개 이상의 평행한 금속 막대)에서 겉보기 유전율(Ka)을 결정합니다.프로브의 길이는 보통 10~30cm이며 동축 케이블을 통해 TDR에 연결됩니다.

지질공학 분야

또한 시간 영역 반사계는 고속도로 절단, 레일 침대 및 노천 갱도 광산을 포함한 다양한 지질 기술 환경에서 경사면 움직임을 모니터링하는 데 사용되었다(Dowding & O'Connor, 1984, 2000a, 2000b; Kane & Beck, 1999).TDR을 사용하는 안정성 모니터링 애플리케이션에서는 해당 영역을 통과하는 수직 보어홀에 동축 케이블이 장착됩니다.동축 케이블을 따라 임의의 지점에서 전기적 임피던스는 도체 간의 절연체 변형에 따라 변화합니다.케이블 주위에 메짐성 그라우트가 있어 접지 이동이 반사율 트레이스에서 검출 가능한 피크로 나타나는 갑작스러운 케이블 변형으로 변환됩니다.최근까지 이 기법은 작은 경사면 움직임에 상대적으로 둔감했고 시간에 따른 반사율 추적의 변화를 사람이 감지하는 데 의존했기 때문에 자동화할 수 없었다.Farrington과 Sargand(2004)는 숫자 미분을 사용하여 기존 해석보다 훨씬 일찍 TDR 데이터에서 경사 이동의 신뢰할 수 있는 지표를 추출하는 단순한 신호 처리 기술을 개발했다.

지질 공학에서 TDR의 또 다른 적용은 토양 수분 함량을 측정하는 것입니다.이는 TDR을 다른 토양층에 배치하고 강수 시작 시간 및 TDR이 토양 수분 함량의 증가를 나타내는 시간을 측정함으로써 수행할 수 있다.TDR(d)의 깊이는 알려진 요소이며, 다른 하나는 물방울이 그 깊이에 도달하는 데 걸리는 시간(t)이다. 따라서 수분 침투 속도(v)를 결정할 수 있다.이는 빗물 표면 유출 감소에 대한 Best Management Practice(BMP; 베스트 관리 프랙티스)의 효과를 평가하는 좋은 방법입니다.

반도체 소자 분석에서

시간영역반사계는 반도체고장분석에서 반도체디바이스패키지결함위치비파괴방법으로 이용된다.TDR은 디바이스 패키지의 개개의 도전성 트레이스의 전기적 시그니처를 제공하여 오픈과 쇼트의 위치를 판별하는 데 도움이 됩니다.

항공 배선 유지관리 시

시간 영역 반사계, 특히 확산 스펙트럼 시간 영역 반사계는 예방 정비와 고장 ^[11]위치 모두를 위해 항공 배선에 사용된다.스펙트럼 확산 시간 영역 반사계는 항공 배선 수천 마일 내에서 결함 위치를 정밀하게 찾을 수 있는 장점이 있다.또한, 이 기술은 실시간 항공 모니터링을 위해 고려할 가치가 있다. 왜냐하면 확산 스펙트럼 반사측정법을 활선에 적용할 수 있기 때문이다.

이 방법은 간헐적 전기적 ^[12]고장을 찾는 데 유용한 것으로 나타났습니다.

MCTDR(Multi Carrier Time Domain Reflectometry)은 임베디드 EWIS 진단 또는 문제 해결 도구에 대한 유망한 방법으로도 확인되었다.이 스마트 테크놀로지는 멀티 캐리어 신호(EMC에 관한 것으로 와이어에 무해)의 주입에 근거해 배선 시스템의 전기적 결함(또는 전기적 결과를 가져오는 기계적 결함)의 검출, 현지화 및 특성화에 관한 정보를 제공합니다.하드 고장(단락, 단선) 또는 간헐적 결함을 매우 빠르게 감지하여 배선 시스템의 신뢰성을 높이고 ^[13]유지보수를 개선할 수 있습니다.

「 」를 참조해 주세요.

• 주파수 영역 센서
• 머레이 루프 브리지
• 소음 영역 반사 측정
• 광시역 반사계
• 반품손실
• 정재파비

레퍼런스

추가 정보

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• Wadoups, B., C. Furse, M.슈미트."마모된 항공기 배선 단열재 감지를 위한 반사계 분석"전기 컴퓨터 공학부유타 주립 대학교.
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외부 링크

• 방사선 검출 확장 트레이닝 - TDR의 기초
• 절단된 그물을 보수하는 작업이 시작된다.
• Time Domain Reflectometry Theory (PDF), Application Note, Keysight Technologies, 31 May 2013, AN-1304-2, retrieved 13 February 2012
• DeWinter, Paul; Ashley, Bill (2011), Step vs Pulse TDR Technology (PDF), Application Note, AEA Technology, Inc., AN201, archived from the original (PDF) on 2014-08-26
• 디지털 케이블용 TDR - 마이크로파/RF 및 디지털 케이블용 TDR
• TDR 대 FDR: 장애까지의 거리