時間領域反射計

時間領域反射計（TDR ）は、反射パルスを観察することで電線の特性を決定するために使用される電子機器です。金属ケーブル（ツイストペア線や同軸ケーブルなど）の特性評価や障害箇所の特定に使用でき、^[1] コネクタ、プリント基板、またはその他の電気経路の不連続性を特定するために使用できます。

TDR は導体に沿った反射を測定します。これらの反射を測定するために、TDR は導体に入射信号を送信し、その反射を聞きます。導体のインピーダンスが均一で、適切に終端されている場合、反射はなく、残りの入射信号は終端によって遠端で吸収されます。代わりに、インピーダンスに変化がある場合は、入射信号の一部がソースに反射されます。TDR は原理的にはレーダーに似ています。

不連続部のインピーダンスは、反射信号の振幅から判定できます。反射インピーダンスまでの距離も、パルスが戻ってくるまでの時間から判定できます。この方法の制限は、最小システム立ち上がり時間です。合計立ち上がり時間は、駆動パルスの立ち上がり時間と、反射を監視する オシロスコープまたはサンプラーの立ち上がり時間の合計で構成されます。

TDR 分析は、エネルギーのステップまたはインパルスがシステムに伝搬し、その後システムによって反射されたエネルギーを観察することから始まります。反射波形の大きさ、持続時間、形状を分析することで、伝送システムにおけるインピーダンス変動の性質を判定できます。

反射計の出力に純粋な抵抗負荷が接続され、ステップ信号が印加されると、ディスプレイにステップ信号が表示され、その高さは抵抗の関数になります。抵抗負荷によって生成されるステップの大きさは、次のように入力信号の割合として表すことができます。

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

ここで、伝送線路の特性インピーダンスです。 ${\displaystyle Z_{0}}$

一般的に、反射は入射信号と同じ形状になりますが、その符号と大きさはインピーダンス レベルの変化によって異なります。インピーダンスが段階的に増加すると、反射は入射信号と同じ符号になります。インピーダンスが段階的に減少すると、反射は反対の符号になります。反射の大きさは、インピーダンスの変化量だけでなく、導体の損失にも依存します。

反射はTDR の出力/入力で測定され、時間の関数として表示またはプロットされます。また、信号伝播速度は特定の伝送媒体ではほぼ一定であるため、表示はケーブル長の関数として読み取ることもできます。

TDR はインピーダンスの変化に敏感なので、ケーブルのインピーダンス特性、接続部とコネクタの位置、関連する損失を検証したり、ケーブルの長さを推定したりする ために使用できます。

TDR はさまざまな入射信号を使用します。一部の TDR は導体に沿ってパルスを送信します。このような機器の分解能は、多くの場合、パルスの幅です。狭いパルスは優れた分解能を提供できますが、長いケーブルでは減衰する高周波信号成分があります。パルスの形状は、多くの場合、半周期の正弦波です。 ^[2]ケーブルが長い場合は、より広いパルス幅が使用されます。

高速立ち上がり時間ステップも使用されます。完全なパルスの反射を探す代わりに、機器は非常に高速になる可能性がある立ち上がりエッジに注目します。^[3] 1970年代の技術TDRでは、立ち上がり時間が25psのステップが使用されました。^{[4] [5] [6]}

その他の TDR では、複雑な信号を送信し、相関技術を使用して反射を検出します。拡散スペクトル時間領域反射測定法を参照してください。

光ファイバーに相当する装置は光時間領域反射計です。

時間領域透過率測定法( TDT ) は、反射されたインパルスではなく送信されたインパルスを測定する類似の技術です。これらを組み合わせることで、同軸ケーブルや光ファイバーなどの電気または光伝送媒体を分析する強力な手段が提供されます。

TDRにはさまざまなバリエーションがあります。たとえば、拡散スペクトル時間領域反射測定法（SSTDR）は、航空機の配線などの複雑でノイズの多いシステムで断続的な障害を検出するために使用されます。^[7]コヒーレント光時間領域反射測定法（COTDR）は、光システムで使用される別のバリ​​エーションで、返された信号が局部発振器と混合され、その後フィルタリングされてノイズが低減されます。^[8]

これらのトレースは、一般的な実験装置で作られた時間領域反射計を、特性インピーダンスが50 オームの約 100 フィート (30 m) の同軸ケーブルに接続して生成したものです。このケーブルの伝搬速度は、真空中の光速の約 66% です。

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  実験装置から作られたシンプルなTDR
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  実験装置から作られたシンプルなTDR
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  オープン終端を持つ伝送線路のTDRトレース
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  短絡終端を備えた伝送線路のTDRトレース
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  1nFコンデンサ終端を備えた伝送線路のTDRトレース
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  ほぼ理想的な終端を持つ伝送線路のTDRトレース
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  オシロスコープの高インピーダンス入力で終端された伝送ラインのTDRトレース。青いトレースは遠端から見たパルスです。各チャネルのベースラインが見えるようにオフセットされています。
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  マッチングされたソースからのステップ入力によって駆動されるオシロスコープの高インピーダンス入力で終端された伝送ラインの TDR トレース。青いトレースは遠端で見られる信号です。

これらのトレースは、25 ps の立ち上がり時間のステップ波形、35 ps の立ち上がり時間のサンプリング ヘッド、および 18 インチ (0.46 m) の SMA ケーブルを使用して、市販の TDR によって生成されたものです。^[9] SMA ケーブルの遠端は開いたままにするか、別のアダプタに接続しました。パルスがケーブルを伝わり、反射してサンプリング ヘッドに到達するまでに約 3 ns かかります。一部のトレースでは 2 回目の反射 (約 6 ns) が見られますが、これは反射がサンプリング ヘッドで小さな不一致を検出し、別の「入射」波がケーブルを伝わるためです。

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  切断された SMA オスコネクタへのステップの TDR (非精密オープン)
  水平: 1 ns/div
  垂直: 0.5 ρ/div
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  切断された APC-7mm コネクタへのステップの TDR
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  APC-7mm精密オープンへのステップのTDR
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  APC-7mm精密負荷へのステップのTDR
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  APC-7mm精密ショートへのステップのTDR
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  APC-7mm 精密オープン水平ステップの TDR
  : 20 ps/div
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  嵌合した BNC コネクタ ペアへのステップの TDR。ピーク反射は 0.04
  水平: 200 ps/div
  垂直: 20 mρ/div

ケーブルの遠端が短絡している場合、つまりインピーダンスがゼロ オームで終端されている場合、パルスの立ち上がりエッジがケーブルに発射されると、発射ポイントの電圧が瞬時に特定の値に「ステップアップ」し、パルスはケーブル内を短絡に向かって伝搬し始めます。パルスが短絡に遭遇しても、遠端ではエネルギーは吸収されません。代わりに、反転したパルスが短絡から発射端に向かって反射します。この反射が最終的に発射ポイントに到達したときにのみ、この点の電圧が突然ゼロに低下し、ケーブルの端に短絡があることが示されます。つまり、TDR は、放出されたパルスがケーブル内を伝わり、エコーが戻ってくるまで、ケーブルの端に短絡があることを示さないということです。この往復遅延の後でのみ、TDR は短絡を検出できます。特定のテスト対象ケーブルの 信号伝搬速度がわかれば、短絡までの距離を測定できます。

ケーブルの遠端がオープン回路 (無限インピーダンスに終端) の場合も、同様の効果が発生します。ただし、この場合、遠端からの反射は元のパルスとまったく同じ偏光となり、元のパルスを打ち消すのではなく、加算されます。そのため、往復遅延の後、TDR の電圧は、最初に適用された電圧の 2 倍に急激に上昇します。

ケーブルの遠端で完全に終端すると、反射を起こさずに適用されたパルスが完全に吸収され、ケーブルの実際の長さを判定できなくなります。実際には、わずかな反射がほぼ常に観察されます。

反射の大きさは反射係数またはρと呼ばれます。係数の範囲は 1 (開回路) から -1 (短絡) です。値が 0 の場合、反射はありません。反射係数は次のように計算されます。 ここで、 Z _{o は}伝送媒体の特性インピーダンスとして定義され、Z _tは伝送線路の遠端の終端のインピーダンスです。 $${\displaystyle \rho ={\frac {Z_{\text{t}}-Z_{\text{o}}}{Z_{\text{t}}+Z_{\text{o}}}}$$

不連続性は終端インピーダンスとみなされ、Z _tとして置き換えられます。これには、特性インピーダンスの急激な変化が含まれます。たとえば、プリント回路基板のトレース幅が中央部で 2 倍になると、不連続性が生じます。エネルギーの一部は駆動源に反射され、残りのエネルギーは伝送されます。これは散乱接合とも呼ばれます。

時間領域反射計は、数キロメートルにも及ぶケーブルを掘り起こしたり撤去したりすることが現実的でない、非常に長いケーブルの現場テストによく使用されます。TDRは、ジョイントやコネクタの腐食による抵抗や、絶縁体の劣化や湿気の吸収による漏れの増加を、壊滅的な故障につながるずっと前に検出できるため、通信回線の予防保守には欠かせません。TDR を使用すると、数センチメートル単位で障害を正確に特定できます。

TDR は、盗聴器の存在と位置を特定するために役立つ、技術的な監視対策にも非常に役立つツールです。盗聴器や接続器の導入によって生じる回線インピーダンスのわずかな変化は、電話回線に接続されたときに TDR の画面に表示されます。

TDR 装置は、伝送線路をエミュレートするように作られた信号トレースを備えた最新の高周波プリント回路基板の故障解析にも不可欠なツールです。反射を観察することで、ボール グリッド アレイデバイスのハンダ付けされていないピンを検出できます。同様に、短絡したピンも検出できます。

TDR の原理は、集積回路パッケージのテストから液体レベルの測定まで、さまざまな産業環境で使用されています。前者では、時間領域反射計を使用して、同じ場所での故障箇所を特定します。後者は、主にプロセス産業に限定されています。

TDR ベースのレベル測定装置では、装置がインパルスを生成し、それが細い導波管 (プローブと呼ばれる) (通常は金属棒または鋼鉄ケーブル) に沿って伝搬します。このインパルスが測定対象の媒体の表面に当たると、インパルスの一部が導波管を反射して戻ります。装置は、インパルスが送信されたときと反射が戻ったときの時間差を測定することで、液面レベルを決定します。センサーは、分析されたレベルを連続アナログ信号として出力することも、出力信号を切り替えることもできます。TDR 技術では、インパルス速度は主に、パルスが伝搬する媒体の誘電率の影響を受けます。誘電率は、媒体の水分含有量と温度によって大きく異なります。多くの場合、この影響は簡単に修正できます。沸騰環境や高温環境など、場合によっては修正が困難な場合があります。特に、泡沫状/沸騰媒体内の泡の高さと崩壊した液面レベルを決定することは非常に困難です。

電力組織のコンソーシアムであるCEAテクノロジーズ社（CEATI）のダム安全利益団体は、コンクリートダムアンカーケーブルの潜在的な欠陥を特定するために、拡散スペクトル時間領域反射測定法を適用しました。他の試験方法と比較した時間領域反射測定法の主な利点は、これらの試験が非破壊的であることです。^[10]

TDR は、土壌や多孔質媒体の水分含有量を測定するために使用されます。過去 20 年間で、土壌、穀物、食品、堆積物の水分測定は大きく進歩しました。TDR の成功の鍵は、波の伝播から物質の誘電率 (誘電定数) を正確に測定できることです。これは、Hoekstra と Delaney (1974) および Topp ら (1980) の先駆的な研究で実証されているように、物質の誘電率と水分含有量の間には密接な関係があるためです。この主題に関する最近のレビューおよび参考文献には、Topp と Reynolds (1998)、Noborio (2001)、Pettinellia ら (2002)、Topp と Ferre (2002)、および Robinson ら (2003) があります。 TDR 法は伝送線路技術であり、通常は土壌または堆積物に埋め込まれた 2 本以上の平行な金属棒である伝送線路に沿って伝播する電磁波の移動時間から見かけの誘電率 (Ka) を決定します。プローブは通常 10 ～ 30 cm の長さで、同軸ケーブルを介して TDR に接続されます。

時間領域反射率測定法は、高速道路の切通し、線路床、露天掘り鉱山など、さまざまな地質工学的状況での斜面の動きを監視するためにも利用されてきました (Dowding & O'Connor、1984、2000a、2000b、Kane & Beck、1999)。TDR 安定性監視アプリケーションでは、問題領域を通過する垂直のボーリングホールに同軸ケーブルを設置します。同軸ケーブルに沿った任意のポイントの電気インピーダンスは、導体間の絶縁体の変形によって変化します。ケーブルの周囲には脆いグラウトが敷かれており、地盤の動きをケーブルの急激な変形に変換し、反射トレースの検出可能なピークとして現れます。最近まで、この技術は小さな斜面の動きに比較的鈍感で、時間の経過に伴う反射トレースの変化を人間が検出することに依存していたため、自動化できませんでした。 Farrington と Sargand (2004) は、数値微分を使用した簡単な信号処理技術を開発し、従来の解釈よりもはるかに早く、TDR データから傾斜移動の信頼性の高い指標を抽出しました。

土質工学における TDR のもう 1 つの用途は、土壌水分含有量の測定です。これは、TDR をさまざまな土壌層に配置し、降水開始時刻と TDR が土壌水分含有量の増加を示す時刻を測定することで実行できます。TDR の深さ (d) は既知の要素であり、もう 1 つは水滴がその深さに到達するのにかかる時間 ( t ) です。したがって、水の浸透速度( v ) を測定できます。これは、雨水 表面流出の削減におけるベスト マネジメント プラクティス (BMP) の有効性を評価するのに適した方法です。

時間領域反射測定法は、半導体デバイス パッケージ内の欠陥の位置を特定するための非破壊的な方法として、半導体の故障解析で使用されます。TDR は、デバイス パッケージ内の個々の導電トレースの電気的特性を提供し、断線や短絡の位置を特定するのに役立ちます。

時間領域反射測定法、特に拡散スペクトル時間領域反射測定法は、航空配線の予防保守と障害箇所の特定の両方に使用されています。^[11]拡散スペクトル時間領域反射測定法には、航空配線から数千マイル以内の障害箇所を正確に特定できるという利点があります。さらに、拡散スペクトル反射測定法は活線にも使用できるため、この技術はリアルタイムの航空監視に検討する価値があります。

この方法は断続的な電気的障害の位置を特定するのに有効であることが示されています。^[12]

マルチキャリア時間領域反射測定法（MCTDR）も、組み込みEWIS診断またはトラブルシューティングツールの有望な方法として認識されています。このスマートテクノロジーは、マルチキャリア信号（EMCを考慮し、配線に無害）の注入に基づいて、配線システムの電気的欠陥（または電気的結果をもたらす機械的欠陥）の検出、位置特定、および特性評価のための情報を提供します。ハードフォールト（ショート、オープンサーキット）または断続的な欠陥を非常に迅速に検出できるため、配線システムの信頼性が向上し、メンテナンスが改善されます。^[13]

• 周波数領域センサー
• マレーループ橋
• ノイズ領域反射測定
• ニコルソン・ロス・ウィアー法
• 光時間領域反射計
• リターンロス
• 定在波比

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ウィキメディア・コモンズには、時間領域反射測定法に関連するメディアがあります。

• 無線探知拡張トレーニング – TDR の ABC
• 切断された網の修復作業開始
• 時間領域反射測定理論(PDF)、アプリケーションノート、Keysight Technologies、2013 年 5 月 31 日、AN-1304-2、2022年 10 月 9 日のオリジナルからアーカイブ(PDF) 、 2012 年2 月 13 日に取得
• DeWinter, Paul; Ashley, Bill (2011)、Step vs Pulse TDR Technology (PDF) 、アプリケーション ノート、AEA Technology, Inc.、AN201、2014-08-26のオリジナル(PDF)からアーカイブ
• デジタルケーブル用 TDR – マイクロ波/RF およびデジタルケーブル用 TDR
• TDR 対 FDR: 障害までの距離