第3章-传输线理论-无线通信射频电路技术与设计-教学-[电子教案]课件.ppt

1第3章 传输线理论教学教学重点重点本章重点介绍了传输线的种类和传输线的集总元件电路模本章重点介绍了传输线的种类和传输线的集总元件电路模型；端接开路、短路等特殊终端的无耗传输线的输入阻抗型；端接开路、短路等特殊终端的无耗传输线的输入阻抗以及在射频电路中的应用；阻抗、导纳、组合阻抗以及在射频电路中的应用；阻抗、导纳、组合阻抗-导纳导纳Smith圆图的特点与应用方法。圆图的特点与应用方法。教学教学重点重点教学教学重点重点掌握：端接开路、短路等特殊终端的无耗传输线的输入阻掌握：端接开路、短路等特殊终端的无耗传输线的输入阻 抗及应用；抗及应用；Smith圆图的特点与应用方法。圆图的特点与应用方法。了解：传输线的种类、结构特性及在射频电路中的应用。了解：传输线的种类、结构特性及在射频电路中的应用。熟悉：端接负载的有耗传输线的输入阻抗和入射波的功率熟悉：端接负载的有耗传输线的输入阻抗和入射波的功率 损耗、计算损耗的微扰方法等。损耗、计算损耗的微扰方法等。要求要求2本章目录本章目录v第一节 传输线理论基础v第二节 传输线的种类v第三节 传输线的集总元件电路模型v第四节 端接负载的无耗传输线v第五节 有耗传输线v第六节 Smith圆图 3知识结构知识结构传传 输输线线理理论论 传输线理论基础传输线理论基础普通传输线结构及特性普通传输线结构及特性传输线的种类传输线的种类传输线的集总传输线的集总元件电路模型元件电路模型端接负载的端接负载的无耗传输线无耗传输线有耗传输线有耗传输线Smith圆图圆图平面传输线结构及特性平面传输线结构及特性由电路理论过渡到集总元件电路由电路理论过渡到集总元件电路集总元件电路上的传输线的场分析集总元件电路上的传输线的场分析电压反射系数电压反射系数传播常数和相速传播常数和相速驻波驻波开路线、短路线、四分之一波长传输线开路线、短路线、四分之一波长传输线低耗线低耗线无畸变无畸变输入阻抗输入阻抗入射波的功率损耗入射波的功率损耗用微扰方法求损耗用微扰方法求损耗惠勒增量电感定则惠勒增量电感定则特殊变换特殊变换阻抗阻抗Smith圆图圆图导纳导纳Smith圆图圆图阻抗阻抗-导纳组合导纳组合Smith圆图圆图43.1 传输线理论基础 1.一个向+z方向传播的电波,其沿x方向的电场可用数学方法表示为：它的空间特性用沿z方向的波长 表征，而时间特性用时间周期T=1/f表征。2.基尔霍夫电压和电流定律563.2 传输线的种类同轴线的特性参数同轴线的特性参数73.2 传输线的种类3、波导矩形波导矩形波导圆柱形波导圆柱形波导83.2 传输线的种类矩形波导的特性参数矩形波导的特性参数9103.2 传输线的种类带状线的特性带状线的特性113.2 传输线的种类3、悬置式微带线和倒置式微带线悬置式微带线悬置式微带线倒置式微带线倒置式微带线12133.3 传输线的集总元件电路模型3.3.1 由电路理论过渡到集总元件电路 由基尔霍夫电路定理可得：传输线方程：其中，为复传播常数，其为频率的函数。细分导线及其集总元件电路细分导线及其集总元件电路14153.3 传输线的集总元件电路模型3.3.2 集总元件电路上的传输线的场分析1、单位长度的自感：2、单位长度的电容:3、单位长度的电阻：4、单位长度的并联电导：163.3 传输线的集总元件电路模型一些常用传输线的传输线参量一些常用传输线的传输线参量17183.4 端接负载的无耗传输线3.4.2 传播常数和相速复传播常数的表达式：无耗线路中有R=G=0,因此：式中，为衰减系数，为波数。波长 、相速 、与频率 、波数 之间的关系：193.4 端接负载的无耗传输线3.4.3 驻波 驻波是在振动频率、振幅和传播速度相同而传播方向相反的两列波叠加时产生的。驻波上振幅最大处称为波腹，振幅最小处称为波节。相邻两个波节和波腹之间的距离是半个波长。驻波比（SWR）：通常使用的是电压驻波比，用反射系数 表示成：203.4 端接负载的无耗传输线3.4.4 开路线、短路线、四分之一波长传输线 1、终端短路传输线由V/I得出输入阻抗为：终端短路的传输线终端短路的传输线213.4 端接负载的无耗传输线终端短路的传输线阻抗是 的周期函数，周期为 。在终端短路传输线中，电压、电流和阻抗随线路长度的变化在终端短路传输线中，电压、电流和阻抗随线路长度的变化223.4 端接负载的无耗传输线2、终端开路的传输线输入阻抗：终端开路传输线终端开路传输线开路传输线电压、电流和阻抗与线长度的关系开路传输线电压、电流和阻抗与线长度的关系23243.5 有耗传输线3.5.1 低耗线当传输线是低耗线，即 ，有：253.5 有耗传输线例题 计算同轴线的衰减常数。解：由式 ，并代入同轴线的各个参 数的表达式，可以得到：其中 是填充同轴线的介电材料的本征阻抗。同时，上述计算衰减的方法要求L，C，R和G是已知的。263.5 有耗传输线3.5.2 无畸变 无畸变是有耗传输线的一种特例，以线性参量为特征，这些参量满足关系：可求出复传播常数为：是频率的线性函数；不是频率的函数。27283.5 有耗传输线3.5.4 入射波的功率损耗 回波损耗：实际电路的源功率和输送到传输线的功率之间存在一定程度的失配。例题 计算传输线段的回波损耗。对于3.5.3节中的电路，测得回波损耗为20dB，假定阻抗值为实数，源阻抗为多少？假如传输线特性阻抗为 ，回答一吗？293.5 有耗传输线解：求解反射系数得：源电阻现在用 计算：上式假定了反射系数 是正数；它也有可能是负数，如果反射系数 是负数，求得源阻抗为：30313.5 有耗传输线3.5.6 惠勒增量电感定则横截面为S的均匀传输线单位长度的功率损耗：导体有小损耗时，导体中H不为零，有增量电感 ：则：式中323.5 有耗传输线用特征阻抗求解，求出衰减常数为：其中，是所有导体壁缩减量 时特征阻抗的变化。式中，是指导体壁缩减量为 时线的特征阻抗，是进入到导体内的距离。于是：其中，是电介质的本征阻抗，是导体的表面电阻。333.5 有耗传输线例题 利用增量电感定则计算同轴线由于导体损耗引起的衰减常数。解：无耗同轴线的特征阻抗是：再利用增量电感定则，求得导体损耗产生的衰减为：校正公式：式中，是理想光滑导体的衰减，是对表面粗糙度修正后的衰减，是表面粗糙度的均方根值，是导体的趋肤深度。343.6 Smith圆图例题 一个 的负载阻抗接在一个 的传输线上，其长 度为 。求负载处的反射系数、线输入端的反射系数、输 入阻抗，线的SWR及回波损耗。解：先求归一化负载阻抗为：归一化负载阻抗 可画在Smith圆图上，如图所示。利用一个圆规及圆图下面的电压反射系数标尺，可以读出负载处的反射系数幅值 。同样的圆规张口应用于驻波比标尺读得SWR=3.87，应用于回波损耗标尺读得RL=4.6dB。现在通过阻抗负载点画一个径向线，然后从它与图的外围标尺上的交点读出负载处的反射系数的幅角为 。353.6 Smith圆图 现在通过负载阻抗点画一个SWR圆，读出幅值在朝向波源波长标尺的参考位置的值为 。向着波源方向移动 把我们带到WTG标尺上的 。在此位置画一条径向线，它与SWR圆的交点给出了归一化输入阻抗值 。于是传输线的输入阻抗为：输入端的反射系数幅值为 ，相位角由径向线在标尺上读得为 。3.6.1 特殊变换 工作频率控制了归一化传输线阻抗圆上的点绕Smith圆图旋转的量，因此，在确定的工作频率下，可以根据线长和终端负载条件确定电感性阻抗和电容性阻抗。它的优点是通过分布电路分析计算集总元件参数。363.6 Smith圆图3.6.1.1 开路线变换容性电抗 的实现条件：求出线长 为：1、2、感性电抗 实现条件：求得线长 为：开路线实现容性和感性电抗开路线实现容性和感性电抗373.6 Smith圆图3.6.1.2 短路线的变换1、容性电抗 实现的条件：求得线长 为：2、感性电抗 实现的条件求得线长 为：短路线实现容性和感性电抗短路线实现容性和感性电抗383.6 Smith圆图3.6.2 阻抗Smith圆图 一个典型的电路包含阻抗 、一个特性阻抗 和长为d的传输线，用Smith圆图计算，可按以下6步进行：1、用线阻抗 归一化负载阻抗 ，求出 。2、在Smith圆图内找出 的位置。3、在Smith圆图内认出其对应的负载反射系数 ，用幅度 和相位表示。4、用2倍电长度 旋转 ，获得 。5、记录特定位置d处的归一化输入阻抗 。6、转换 到实际的阻抗 。393.6 Smith圆图例题 四个不同的负载阻抗(a)，(b)，(c)，和(d)，分别与一 个 传输线连接，求反射系数、回波损耗及SWR的值。解：(a)(b)(c)(d)403.6 Smith圆图 作为图形设计工具，Smith圆图通过画SWR圆，可以直接地观测到传输线和负载之间的失配度。对应于各种反射系数的对应于各种反射系数的SWR圆圆413.6 Smith圆图3.6.3 导纳Smith圆图归一化导纳的表达式：从上式可以看出，在归一化输入阻抗的表达式中用 去乘反射系数，就得到导纳 ，等效于在复 平面上旋转 。423.6 Smith圆图例题 转换归一化输入阻抗 为归一化导 纳，并在Smith圆图上显示它。解：从阻抗转换到导纳表达式，只需要在 平面上旋转 。阻抗转换为导纳图阻抗转换为导纳图433.6 Smith圆图3.6.4 阻抗-导纳组合Smith圆图例题 在组合的ZY-Smith圆图中标出归一化阻抗值 和归一化导纳值 ，并求出对应的归一化导纳和 阻抗值。ZY-Smith圆图圆图解：首先考虑归一化阻抗值 ，在组合ZY-Smith圆图中，找出r=0.5的等电阻圆和x=0.5的等电抗圆的交点，该交点就是给定的阻抗值 。为了求出相应的导纳值，简单地沿着等电导g和等电纳b圆移动，其交叉点给出g=1和 。对于归一化导纳 的解，可用同样的方法获得。44本章小结 本章在介绍双并行线、同轴线、微带线、带状线、共面波导、倒置微带线、悬置微带线、波导、镜像线等各类传输线的结构、特性及在射频电路中的应用的基础上，介绍了传输线的集总元件电路模型和电报方程，传输线电路参量。接着介绍了端接负载的无耗传输线的输入阻抗,端接开路、短路等特殊终端的无耗传输线的输入阻抗及在射频电路中的应用。然后介绍了端接负载的有耗传输线的输入阻抗和入射波的功率损耗，计算损耗的微扰方法。最后介绍了阻抗、导纳、组和阻抗-导纳Smith圆图的特点和应用方法。