第2章 传输线理论精选PPT.ppt

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1、第第2章章传输线理论传输线理论第1页，此课件共80页哦2.1 2.1 集总参数元件的射频特性集总参数元件的射频特性 2.1.1 2.1.1 金属导线金属导线直直流流和和低低频频领领域域,金金属属导导线线就就是是一一根根连连接接线线,不不存存在在电电阻阻、电电感感和电容等寄生参数或者说寄生参数可以忽略不计。和电容等寄生参数或者说寄生参数可以忽略不计。射射频频/微微波波领领域域，金金属属导导线线不不仅仅具具有有自自身身的的电电阻阻和和电电感感或或电电容容,而而且且还是频率的函数。还是频率的函数。设圆柱状直导线的半径为设圆柱状直导线的半径为a,长度为长度为,材料的电导率为材料的电导率为,则则其直流电

2、阻可表示为其直流电阻可表示为（2-1）其电流密度可表示为其电流密度可表示为:（2-2）第2页，此课件共80页哦在在交交流流状状态态下下,由由于于交交流流电电流流会会产产生生磁磁场场,根根据据法法拉拉第第电电磁磁感感应应定定律律,此此磁磁场场又又会会产产生生电电场场,与与此此电电场场联联系系的的感感生生电流密度的方向将会与原始电流相反。电流密度的方向将会与原始电流相反。这这种种效效应应在在导导线线的的中中心心部部位位(即即r=0r=0位位置置)最最强强,造造成成了了在在r=0r=0附附近近的的电电阻阻显显著著增增加加,因因而而电电流流将将趋趋向向于于在在导导线线外外表表面面附附近近流流动动,这这

3、种种现现象象将将随随着着频频率率的的升升高高而而加加剧剧,这这就就是是通通常所说的常所说的“趋肤效应趋肤效应”。在在射射频频（f500MHzf500MHz）范范围围导导线线相相对对于于直直流流状状态态的的电电阻和电感可分别表示为阻和电感可分别表示为（2-3a）（2-3b）第3页，此课件共80页哦式中式中 （2-4）趋趋肤肤深深度度与与频频率率之之间间满满足足平平方方反反比比关关系系,随随着着频频率率的的升升高高,集集肤深度是按平方率减小的。肤深度是按平方率减小的。图图2-1交流状态下铜导线横截面电流密度对交流状态下铜导线横截面电流密度对直流情况的归一化值直流情况的归一化值图图2-2 2-2 半

4、径半径a=1mma=1mm的铜导线在不同频率下的的铜导线在不同频率下的J Jz z/J/Jz0z0相对于相对于r r的曲线的曲线 第4页，此课件共80页哦 从从上上图图看看出出,频频率率达达到到1MHz1MHz左左右右时时,就就已已经经出出现现比比较较严严重重的的趋趋肤肤效效应应,当当频频率率达达到到1GHz1GHz时时电电流流几几乎乎仅仅在在导导线线表表面面流流动动而而不能深入导线中心不能深入导线中心,也就是说金属导线的中心部位电阻极大。也就是说金属导线的中心部位电阻极大。金金属属导导线线本本身身就就具具有有一一定定的的电电感感量量,在在射射频频/微微波波电电路路中中,会会影影响响电电路路的

5、的工工作作性性能能。电电感感值值与与导导线线的的长长度度、形形状状、工工作作频率有关。频率有关。金金属属导导线线可可以以看看作作一一个个电电极极,它它与与地地线线或或其其他他电电子子元元件件之之间间存存在在一一定定的的电电容容量量,它它对对射射频频/微微波波电电路路的的工工作作性性能能也也会会有有较大的影响。较大的影响。第5页，此课件共80页哦金金属属导导线线的的电电阻阻、电电感感和和电电容容是是射射频频/微微波波电电路路的的基基本本单单元元。工工程程中中,严严格格计计算算这这些些参参数数是是没没有有必必要要的的,关关键键是是掌掌握握存存在在这这些些参参数数的的物物理理概概念念,合合理理地地使

6、使用用或或回回避避,实实现现电电路路模模块块的功能指标。的功能指标。2.1.2 2.1.2 电阻电阻基本功能是将基本功能是将电电能能转换转换成成热产热产生生电压电压降。降。可可构构成成降降压压或或分分压压电电路路用用于于器器件件的的直直流流偏偏置置,也也可可用用作作直流或射直流或射频电频电路的路的负载电负载电阻完成某些特定功能。阻完成某些特定功能。高密度碳介质合成电阻高密度碳介质合成电阻镍或其他材料的线绕电阻镍或其他材料的线绕电阻温度稳定材料的金属膜电阻温度稳定材料的金属膜电阻铝或铍基材料薄膜片电阻铝或铍基材料薄膜片电阻第6页，此课件共80页哦第7页，此课件共80页哦贴片电阻贴片电阻第8页，此

7、课件共80页哦 这这些些电电阻阻的的应应用用场场合合与与它它们们的的构构成成材材料料、结结构构尺尺寸、成本价格、寸、成本价格、电电气性能有关。气性能有关。在在射射频频/微微波波电电子子电电路路中中使使用用最最多多的的是是薄薄膜膜片片电电阻阻,一般使用一般使用表面表面贴贴装元件（装元件（SMDSMD）。单单片片微微波波集集成成电电路路中中使使用用的的电电阻阻有有三三类类：半半导导体体电电阻、沉积金属膜电阻以及金属和介质的混合物。阻、沉积金属膜电阻以及金属和介质的混合物。第9页，此课件共80页哦 物物质质电电阻阻的的大大小小与与物物质质内内部部电电子子和和空空穴穴的的迁迁移移率率有有关关。从从外外

8、部部看看,物物质质的的体体电电阻阻与与电电导导率率和和物物质质的的体体积积LWH有有关关(如如图图2-3所示所示)，即即(2-6a)图图2-3物质的体电阻物质的体电阻第10页，此课件共80页哦射频电路中射频电路中:图图2-4电阻的等效电路电阻的等效电路Ca表示电阻引脚的表示电阻引脚的极板间的等效电容极板间的等效电容L为引线电感为引线电感Cb表示引线间电容表示引线间电容图图2-5线绕电阻的等效电路线绕电阻的等效电路L1为线绕造成的电感量为线绕造成的电感量C1表示绕线间的电容表示绕线间的电容L2为引线电感为引线电感C2表示引线间电容表示引线间电容第11页，此课件共80页哦 以以500500金金属属

9、膜膜电电阻阻为为例例(等等效效电电路路见见图图2-4),2-4),设设两两端端的的引引线线长长度度各各为为2.5cm2.5cm,引引线线半半径径为为0.2032mm,0.2032mm,材材料料为为铜铜,已已知知C Ca a为为5pF,5pF,根根据据式式（2-32-3）计计算算引引线线电电感感,并并求求出出图图2-42-4等等效效电电路路的的总总阻阻抗抗对对频频率率的的变变化化曲曲线线,如图如图2-62-6所示。所示。图图2-6 2-6 电阻的阻抗绝对值与频率的关系电阻的阻抗绝对值与频率的关系（2-3a）（2-3b）,第12页，此课件共80页哦 在低频率下阻抗即等于电阻在低频率下阻抗即等于电阻

10、R R；随随着着频频率率升升高高到到10MHz10MHz以以上上,电电容容a a的的影影响响开开始始占占优优,导导致致总总阻阻抗抗降低；降低；当频率达到当频率达到20GHz20GHz左右时左右时,出现了串联谐振点；出现了串联谐振点；越越过过谐谐振振点点后后,引引线线电电感感的的影影响响开开始始表表现现出出来来,阻阻抗抗又又加加大大并并逐逐渐表现为开路或有限阻抗值。渐表现为开路或有限阻抗值。,第13页，此课件共80页哦2.1.3 2.1.3 电容电容低频时低频时,电容器可以看成平行板结构电容器可以看成平行板结构 A A是是极极板板面面积积,d,d表表示示极极板板间间距距离离,=0r为为极极板板填

11、填充充介介质质的介的介电电常数。常数。理想状理想状态态下下,极板极板间间介介质质中没有中没有电电流。流。在在射射频频/微微波波频频率率下下,在在介介质质内内部部存存在在传传导导电电流流,因因此此存存在在传导电传导电流引起的流引起的损损耗耗；介介质质中中的的带带电电粒粒子子具具有有一一定定的的质质量量和和惯惯性性,在在电电磁磁场场的的作作用用下下,很很难难随随之之同同步步振振荡荡,在在时时间间上上有有滞滞后后现现象象,也会引起对能量的损耗也会引起对能量的损耗。第14页，此课件共80页哦 电容器的阻抗由电导电容器的阻抗由电导G Ge e和电纳和电纳CC并联组成并联组成,即即 式中式中,电流起因于电

12、导电流起因于电导,其中其中,d是介质的电导率。是介质的电导率。在在射射频频/微微波波应应用用中中,还还要要考考虑虑引引线线电电感感L L以以及及引引线线损损耗耗串串联联电电阻阻R Rg g和介质损耗电阻和介质损耗电阻Re,故电容器的等效电路如图所示故电容器的等效电路如图所示。（2-8）（2-9）第15页，此课件共80页哦 例例:一一个个47pF 47pF 的的电电容容器器,假假设设其其极极板板间间填填充充介介质质为为AlAl2 2O O3 3,损损耗耗角角正正切切为为1010-4-4（假假定定与与频频率率无无关关）,引引线线长长度度为为1.25cm,1.25cm,半半径径为为0.2032mm0

13、.2032mm，可可以得到其等效电路的频率响应曲线如图所示以得到其等效电路的频率响应曲线如图所示。图图2-8 2-8 电容阻抗的绝对值与频率的关系电容阻抗的绝对值与频率的关系,第16页，此课件共80页哦电容的用途非常多，主要有如下几种：电容的用途非常多，主要有如下几种：1隔直流：作用是阻止直流通过而让交流通过。隔直流：作用是阻止直流通过而让交流通过。2旁路（去耦）：为交流电路中某些并联的元件提供低阻抗通路。旁路（去耦）：为交流电路中某些并联的元件提供低阻抗通路。3耦合：作为两个电路之间的连接，允许交流信号通过并传输到下一级电路耦合：作为两个电路之间的连接，允许交流信号通过并传输到下一级电路4滤

14、波：这个对滤波：这个对DIY而言很重要，显卡上的电容基本都是这个作用。而言很重要，显卡上的电容基本都是这个作用。5温度补偿：针对其它元件对温度的适应性不够带来的影响，而进行补偿，改温度补偿：针对其它元件对温度的适应性不够带来的影响，而进行补偿，改善电路的稳定性。善电路的稳定性。6计时：电容器与电阻器配合使用，确定电路的时间常数。计时：电容器与电阻器配合使用，确定电路的时间常数。7调谐：对与频率相关的电路进行系统调谐，比如手机、收音机、电视机。调谐：对与频率相关的电路进行系统调谐，比如手机、收音机、电视机。8整流：在预定的时间开或者关半闭导体开关元件。整流：在预定的时间开或者关半闭导体开关元件。

15、9储能：储存电能，用于必须要的时候释放。例如相机闪光灯，加热设备等等。储能：储存电能，用于必须要的时候释放。例如相机闪光灯，加热设备等等。第17页，此课件共80页哦电解电容器特点一：单位体积的电容量非常大，比其它种类的电电解电容器特点一：单位体积的电容量非常大，比其它种类的电容大几十到数百倍。容大几十到数百倍。电解电容器特点二：额定的容量可以做到非常大，可以轻易做到电解电容器特点二：额定的容量可以做到非常大，可以轻易做到几万几万f甚至几甚至几f（但不能和双电层电容（但不能和双电层电容相比）。相比）。电解电容器特点三：价格比其它种类具有压倒性优势，因为电解电解电容器特点三：价格比其它种类具有压倒

16、性优势，因为电解电容的组成材料都是普通的工业材料，电容的组成材料都是普通的工业材料，比如铝等等。制造电解电容的设备也都是普通的工业设备，可以比如铝等等。制造电解电容的设备也都是普通的工业设备，可以大规模生产，成本相对比较低。大规模生产，成本相对比较低。第18页，此课件共80页哦2.1.4 2.1.4 电感电感 电感器一般是线圈结构电感器一般是线圈结构,也称为高频扼流圈。也称为高频扼流圈。结构一般是用直导线沿柱状结构缠绕而成。结构一般是用直导线沿柱状结构缠绕而成。导线的缠绕构成电感的主要部分导线的缠绕构成电感的主要部分,而导而导线本身的电感可以忽略不计线本身的电感可以忽略不计,细长螺线管的细长螺

17、线管的电感量为电感量为r为螺线管半径，为螺线管半径，N为圈数，为圈数，为螺线管长度。为螺线管长度。(2-10)第19页，此课件共80页哦在在考考虑虑了了寄寄生生旁旁路路电电容容Cs以以及及引引线线导导体体损损耗耗的的串串联联电电阻阻Rs后后，电感的等效电路图如图所示电感的等效电路图如图所示:图图2-10 2-10 高频电感的等效电路高频电感的等效电路例：一个例：一个N=3.5的铜电感线圈的铜电感线圈,线圈半径为线圈半径为1.27mm,线圈长度为线圈长度为1.27mm,导线半径为导线半径为63.5um。假设它可以看做一细长螺线管。假设它可以看做一细长螺线管,根据式根据式（2-10）可求出其电感部

18、分为）可求出其电感部分为L=61.4nH。(2-10)第20页，此课件共80页哦图图2-11 2-11 电感阻抗的绝对值与频率的关系电感阻抗的绝对值与频率的关系 电容电容C Cs s可以看做平板可以看做平板电容产生的电容电容产生的电容 导线的自身阻抗由下导线的自身阻抗由下式求得：式求得：高频电感的等效电路：高频电感的等效电路：,第21页，此课件共80页哦2.2 2.2 射频射频/微波电路设计中微波电路设计中Q Q值的概念值的概念 品质因素品质因素Q Q表示一个元件的储能和耗能之间的关系表示一个元件的储能和耗能之间的关系,即即 在在射射频频/微微波波频频段段,金金属属导导线线、电电阻阻、电电容容

19、和和电电感感的的等等效效电电路路中中均均包包含含储储能能元元件件和和耗耗能能元元件件,其其中中电电容容、电电感代表感代表储储能元件能元件,电电阻代表耗能元件阻代表耗能元件。元元件件的的耗耗能能越越小小,Q,Q值值越越高高。当当元元件件的的损损耗耗趋趋于于无无穷穷小小,即即Q Q值值无限大无限大时时,电电路越接近于理想路越接近于理想电电路。路。第22页，此课件共80页哦并联谐振并联谐振回路品质因数：串联谐振串联谐振回路品质因数：如果只考虑谐振电路本身，则品质因数称为如果只考虑谐振电路本身，则品质因数称为空载品质因数空载品质因数。如果考虑了负载和信号源内阻的影响，谐振电路的品质因数如果考虑了负载和

20、信号源内阻的影响，谐振电路的品质因数称为称为有载品质因数有载品质因数。第23页，此课件共80页哦电抗器件的品质因数电抗器件的品质因数电容和电感的品质因数越高，表示其损耗越小；电容和电感的品质因数越高，表示其损耗越小；电容和电感的品质因数越低，表示其损耗越高。电容和电感的品质因数越低，表示其损耗越高。电容的品质因数：电容的品质因数：电感的品质因数：电感的品质因数：器件的品质因数用来表示器件的损耗，品质因数越高损耗越小，器器件的品质因数用来表示器件的损耗，品质因数越高损耗越小，器件越接近理想器件。件越接近理想器件。谐振电路的品质因数用来表示谐振电路对频率的选择性，谐振电谐振电路的品质因数用来表示谐

21、振电路对频率的选择性，谐振电路的品质因数越高，带宽就越窄，频率选择性就越好。路的品质因数越高，带宽就越窄，频率选择性就越好。第24页，此课件共80页哦2.3 2.3 传输线基本理论传输线基本理论 单位长度传输线的等效电路可由单位长度传输线的等效电路可由R R、L L、G G、C C等四个元件组成。等四个元件组成。图图2-12 2-12 单位长度传输线的等效电路单位长度传输线的等效电路根据基尔霍夫定律根据基尔霍夫定律第25页，此课件共80页哦 假设波的传播方向为假设波的传播方向为z轴方向轴方向,由基尔霍夫电压及电流定律可得由基尔霍夫电压及电流定律可得下列传输线方程式下列传输线方程式:此两个方程式

22、的解可写成此两个方程式的解可写成(2-11)(2-12)由始端向终端传播的波由始端向终端传播的波,是是入射波入射波,由信号源产生。由信号源产生。由终端向始端传播的波，是由终端向始端传播的波，是反射波反射波，入射波在负载处反射引，入射波在负载处反射引起的。起的。第26页，此课件共80页哦式式中中U U+、I I+是是沿沿+z+z轴轴方方向向传传播播的的波波，、I I是是沿沿-z-z轴方向传播的波。轴方向传播的波。是是传输系数传输系数,又称为传播常数，定义为又称为传播常数，定义为波波在在z上上任任一一点点的的总总电电压压及及总总电电流流的的关关系系可可由由下下列列方程表示：方程表示：(2-13)(

23、2-14)第27页，此课件共80页哦将式（将式（2-122-12）代入式（）代入式（2-142-14）,可得可得一般地一般地,将上式定将上式定义为传输线义为传输线的的特性阻抗特性阻抗Z Z0 0,即即当当R=G=0时时,传传输输线线没没有有损损耗耗,无无耗耗传传输输线线的的传传输输系系数数及及特性阻抗特性阻抗Z0分别为分别为第28页，此课件共80页哦此此时时,传传输输系系数数为为纯纯虚虚数数。大大多多数数的的射射频频传传输输线线损损耗耗都很小都很小,亦即亦即RLRL且且GC,GC,传输线的传输系数可写成传输线的传输系数可写成式中式中,定定义为传输线义为传输线的的衰减常数衰减常数:其中其中Y0定

24、义为传输线的特性导纳定义为传输线的特性导纳:（2-15）第29页，此课件共80页哦2.4 2.4 无耗传输线的工作状态无耗传输线的工作状态 一一段段特特性性阻阻抗抗为为Z Z0 0的的传传输输线线,一一端端接接信信号号源源,另另一一端端接接上上负负载载。假假设设此此传传输输线线无无耗耗,传传输输系系数数=j,=j,则则传传输输线线上上电电压压及及电电流流可可以以用用下列二式表示下列二式表示:(2-16)第30页，此课件共80页哦2.4.1 2.4.1 负载端（负载端（z=0z=0处）情况处）情况电压及电流为电压及电流为U=UL=U+U-I=IL=I+-I-而而Z0I+=U+,Z0I-=U-,式

25、（式（2-17）可改写成）可改写成可得可得负载阻抗负载阻抗为为(2-17)(2-18)(2-19)第31页，此课件共80页哦 定义定义归一化负载阻抗归一化负载阻抗为为其中其中L定义为定义为负载端的电压反射系数负载端的电压反射系数:(2-20)(2-21)表明了传输线上任意点的反射波电压表明了传输线上任意点的反射波电压Ur与入射波电压与入射波电压Ui之比。之比。反射系数反射系数是复数，不仅有大小，而且有辐角是复数，不仅有大小，而且有辐角。第32页，此课件共80页哦负载阻抗等于传输线的特性阻抗负载阻抗等于传输线的特性阻抗,这时线上反射这时线上反射系数为零系数为零,无反射波存在无反射波存在,线上只存

26、在入射波线上只存在入射波,称为称为行波。行波。行波的特征：行波的特征：电压、电流同相，线上各点的值随时间而变。电压、电流同相，线上各点的值随时间而变。振幅相等，没有固定的最大点和最小点。振幅相等，没有固定的最大点和最小点。1、当、当ZL=Z0或为无限长传输线时或为无限长传输线时,L=0,无反射波无反射波,是是行行波状态波状态或或匹配状态匹配状态。第33页，此课件共80页哦2、当、当ZL为纯电抗元件或处于开路或者短路状态时为纯电抗元件或处于开路或者短路状态时,|L|1,负载将入射波全部反射，称为全反射状态负载将入射波全部反射，称为全反射状态,为为驻波状态驻波状态。电磁波在终端负载上没有任何能量损

27、耗，但是负载阻止电磁波电磁波在终端负载上没有任何能量损耗，但是负载阻止电磁波继续往前传播，被全部反射形成反射波。在传输线上，反射继续往前传播，被全部反射形成反射波。在传输线上，反射波与入射波迭加而形成驻波。波与入射波迭加而形成驻波。驻波的特征：驻波的特征：两个方向相反，大小相等的行波迭加形成的振荡。传输线上最大两个方向相反，大小相等的行波迭加形成的振荡。传输线上最大点永远为最大点，最小点永远为最小点，其分布与时间无关，随点永远为最大点，最小点永远为最小点，其分布与时间无关，随时间只改变其数值的大小和方向。时间只改变其数值的大小和方向。第34页，此课件共80页哦3、当、当ZL为其它值时为其它值时

28、,|L|1,负载吸收部分入射波，另一部分负载吸收部分入射波，另一部分入射波被负载反射，传输线上呈混波状态入射波被负载反射，传输线上呈混波状态,称为称为行驻波状态行驻波状态。线上任意点的反射系数为线上任意点的反射系数为(2-22a)终端电压驻波比终端电压驻波比VSWR和和回波损耗回波损耗RL为为(2-22b)(2-22b)线上任意点驻波系数：线上任意点驻波系数：第35页，此课件共80页哦驻波系数表示电磁波沿传输线传播所引起的反驻波系数表示电磁波沿传输线传播所引起的反射程度。射程度。驻波系数的特征：驻波系数的特征：1.驻波系数是实数，仅有大小。驻波系数是实数，仅有大小。2.时，线上无反射，呈行波状

29、态。时，线上无反射，呈行波状态。3.，全反射，呈驻波状态。，全反射，呈驻波状态。4.,混波状态。混波状态。第36页，此课件共80页哦2.4.2 2.4.2 输入端（输入端（z=z=L L处）情况处）情况无耗传输线的反射系数无耗传输线的反射系数(z)(z)应改成应改成输入阻抗为输入阻抗为 由上式可知：由上式可知：（1 1）当当LL时时,Z,ZininZZ0 0。（2 2）当当L=/2L=/2时时,Z,Zinin=Z=ZL L。（3）当当L=/4时时,Zin=Z20/ZL。(2-23)(2-24)第37页，此课件共80页哦2.5 2.5 有耗有耗传输线传输线的工作状的工作状态态有有耗耗传传输输线线

30、的的传传输输系系数数 为为复复数数,输输入入端端电电压压反反射射系系数数(L)(L)应改成应改成 (2-25)(2-25)而输入阻抗则改成而输入阻抗则改成 (2-26)(2-26)第38页，此课件共80页哦传输线特性传输线特性1、相位常数、相位常数传播常数：传播常数：相位常数相位常数表示单位长度上的相位变化。表示单位长度上的相位变化。对于无耗传输线：对于无耗传输线：其中其中L和和C分别为无耗传输线单位长度的电感和电容。分别为无耗传输线单位长度的电感和电容。2、相速度、相速度电磁波等相面移动的速度。传输线上正向传输波和反向传输波，以相同电磁波等相面移动的速度。传输线上正向传输波和反向传输波，以相

31、同的相速度沿相反的方向行进。的相速度沿相反的方向行进。第39页，此课件共80页哦 无耗传输线工作在无耗传输线工作在TEMTEM模式时，相速度与工作频率无关，只与传模式时，相速度与工作频率无关，只与传输线介质特性有关。输线介质特性有关。3 3、相波长、相波长是指同一个时刻传输线上电磁波相位差为是指同一个时刻传输线上电磁波相位差为 时的距离，时的距离，c c为自由空间的光速，为自由空间的光速，为传输线介质的相对介电常数。为传输线介质的相对介电常数。第40页，此课件共80页哦终端接匹配负载终端接匹配负载当传输线终端连接匹配负载时，负载的电压反射系数当传输线终端连接匹配负载时，负载的电压反射系数传输线

32、上没有反射波，处于行波工作状态。传输线上没有反射波，处于行波工作状态。可得传输线上任意一点的阻抗为：可得传输线上任意一点的阻抗为：第41页，此课件共80页哦终端短路终端短路当传输线终端短路当传输线终端短路ZL=0时，终端电压反射系数时，终端电压反射系数=-1=-1。终端电压。终端电压V(0)=0,V(0)=0,电流电流I(0)=II(0)=I0 0,可得出传输线上电流电压分布：可得出传输线上电流电压分布：由上式可得传输线上任意位置的阻抗由上式可得传输线上任意位置的阻抗 为：为：在在l=0l=0和和l=l=/2/2时，阻抗为零呈现短路状态；时，阻抗为零呈现短路状态；当当l=l=/4/4和和l=3

33、l=3/4/4时，阻抗为无穷大，呈现开路状态；时，阻抗为无穷大，呈现开路状态；时，传输线呈现感抗可以等效为一个电感；反之电容。时，传输线呈现感抗可以等效为一个电感；反之电容。第42页，此课件共80页哦终端开路终端开路当传输线终端开路时，负载阻抗当传输线终端开路时，负载阻抗ZL,电压电压反射系数反射系数=1=1。终终端电压端电压V(0)=VV(0)=V0 0,电流电流I(0)=0,I(0)=0,可得出传输线上电流电压分布：可得出传输线上电流电压分布：由上式可得传输线上任意位置的阻抗由上式可得传输线上任意位置的阻抗 为：为：在在l=0l=0和和l=l=/2/2时，阻抗为无穷大，呈现开路状态；时，阻

34、抗为无穷大，呈现开路状态；当当l=l=/4/4和和l=3l=3/4/4时，阻抗为零，呈现短路状态；时，阻抗为零，呈现短路状态；时，传输线呈现容抗，可以等效为一个电容；反时，传输线呈现容抗，可以等效为一个电容；反之呈感抗。之呈感抗。第43页，此课件共80页哦2.6 2.6 史密斯圆图史密斯圆图 史密斯圆图是由很多圆周交织在一起的一个图。史密斯圆图是由很多圆周交织在一起的一个图。在在不不作作任任何何计计算算的的前前提提下下得得到到一一个个复复杂杂系系统统的的匹匹配配阻阻抗抗，唯唯一一需需要要作作的的就就是是沿沿着着圆圆周周线线读读取取并并跟跟踪踪数数据。据。已已知知一一点点的的阻阻抗抗或或反反射射

35、系系数数,用用史史密密斯斯圆圆图图能能方方便便地算出另一点的归一化阻抗值和对应的反射系数。地算出另一点的归一化阻抗值和对应的反射系数。史史密密斯斯圆圆图图概概念念清清晰晰,使使用用方方便便,广广泛泛用用于于阻阻抗抗匹匹配电路的设计中。配电路的设计中。是解决传输线、晶体管放大电路、滤波器和阻抗匹是解决传输线、晶体管放大电路、滤波器和阻抗匹配的有效工具配的有效工具。第44页，此课件共80页哦|=常数常数对应复平面上一族以原复平面上一族以原点点为圆心的同心心的同心圆。所有的。所有的圆均均在在|=1的的圆内，内，|=1的的圆最大，最大，它相当于它相当于终端全反射的情况，端全反射的情况，|=0的的圆缩为

36、一点一点(原点原点)，称，称为阻抗阻抗匹配点。匹配点。圆越大，离原点越越大，离原点越远，系，系统匹配越差。匹配越差。当沿线自终端向始端移动时，在复平面上对应于反射系数顺时针方向沿当沿线自终端向始端移动时，在复平面上对应于反射系数顺时针方向沿|=常数的圆（无耗）旋转或沿螺旋线（有耗）旋入原点。常数的圆（无耗）旋转或沿螺旋线（有耗）旋入原点。当沿线自始端向终端移动时，在复平面上反射系数将沿逆时针方向旋当沿线自始端向终端移动时，在复平面上反射系数将沿逆时针方向旋转。转。向信号源等反射系数圆等反射系数圆第45页，此课件共80页哦当沿线移动当沿线移动/2时，对应复平面上沿时，对应复平面上沿|=常数的圆常

37、数的圆(无耗无耗)旋转一周。旋转一周。在有耗传输线的情况下，在有耗传输线的情况下，当沿线移动时，在复平面上将当沿线移动时，在复平面上将按螺旋线旋至原点。按螺旋线旋至原点。向信号源等反射系数圆等反射系数圆第46页，此课件共80页哦当当R的值从的值从0变到变到时，在复平面上对应无穷多个圆，时，在复平面上对应无穷多个圆，这些圆的圆心在正实轴上移动，且均相切于这些圆的圆心在正实轴上移动，且均相切于(1,0)点，并在点，并在R=0的圆内。的圆内。R=1的圆通过原点，称为匹配圆。实轴显纯电阻性的圆通过原点，称为匹配圆。实轴显纯电阻性,正实正实轴上电阻为轴上电阻为,负实轴电阻为负实轴电阻为1/。图2-14等

38、电阻圆r r表示归一化的数值表示归一化的数值第47页，此课件共80页哦图2-15等电抗圆由实轴分开，上半平面对由实轴分开，上半平面对应感性电抗，下半平面对应感性电抗，下半平面对应容性电抗；应容性电抗；第48页，此课件共80页哦实轴上的数字表示阻抗的电阻值。实轴上的数字表示阻抗的电阻值。正实轴上的数字又表示驻波系数值，而负实轴上的数字正实轴上的数字又表示驻波系数值，而负实轴上的数字表示驻波系数的倒数。表示驻波系数的倒数。沿单位圆最内层的数字表示阻抗的电抗值。沿单位圆最内层的数字表示阻抗的电抗值。沿单位圆第二层沿单位圆第二层(由内向外由内向外)的数值表示反射系数的辐的数值表示反射系数的辐角。角。沿

39、单位圆第三层的数字表示自终端向始端方向计算的距沿单位圆第三层的数字表示自终端向始端方向计算的距离离(以波长计以波长计)第49页，此课件共80页哦第50页，此课件共80页哦例例2-1：已知均匀无耗传输线的特性阻抗为：已知均匀无耗传输线的特性阻抗为50欧，传输线长度为欧，传输线长度为0.125倍的波长，终端接负载阻抗倍的波长，终端接负载阻抗ZL=50+j50欧姆，试求欧姆，试求(1)传输线上的电传输线上的电压驻波系数压驻波系数VSWR。(2)终端电压反射系数终端电压反射系数。(3)传输线输入端阻抗传输线输入端阻抗ZIN。第51页，此课件共80页哦2.7 2.7 微带线的理论和设计微带线的理论和设计

40、 2.7.1 2.7.1 各种传输线介绍各种传输线介绍常常见见的的传传输输线线有有同同轴轴线线、微微带带线线、带带状状线线、矩矩形形波波导导、圆圆波导等波导等,如图如图2-162-16所示。所示。传输线是用来传输电磁能量的装置，主要用来连接信号源和负载。传输线是用来传输电磁能量的装置，主要用来连接信号源和负载。传输线按其传输电磁波的特性，可分为：横电磁波传输线按其传输电磁波的特性，可分为：横电磁波(TEM)、横电波、横电波(TE)和横磁波和横磁波(TM)。圆柱波导和矩形波导都工作在圆柱波导和矩形波导都工作在TE或或TM模式。模式。在射频电路设计中主要使用在射频电路设计中主要使用TEM模式的传输

41、线，如：双线传输线、同轴模式的传输线，如：双线传输线、同轴传输线和微带传输线。传输线和微带传输线。第52页，此课件共80页哦图 2-16 常用射频/微波传输线由于材料和结构的不同由于材料和结构的不同,每种传输线的传播常数不同。所以每种传输线的传播常数不同。所以,传传播常数的计算是各种传输线研究的核心内容。播常数的计算是各种传输线研究的核心内容。第53页，此课件共80页哦2.7.2 2.7.2 微带线微带线微带线是一种准微带线是一种准TEMTEM波传输线波传输线,结构简单结构简单,计算复杂。计算复杂。分为两大类：分为两大类：一类是射频一类是射频/微波信号传输类的电子产品。微波信号传输类的电子产品

42、。雷达、广播电视和通信；雷达、广播电视和通信；另一类是高速逻辑信号传输类的电子产品。另一类是高速逻辑信号传输类的电子产品。以以 数数 字字 信信 号号 传传 输输,与与 电电 磁磁 波波 的的 方方 波波 传传 输输 有有 关关 主要应用在计算机等中主要应用在计算机等中,家电和通信类电子产品。家电和通信类电子产品。第54页，此课件共80页哦1.微带线基本设计参数微带线基本设计参数微带线横截面的结构如下图所示。微带线横截面的结构如下图所示。相关设计参数相关设计参数如下如下:(1)基基板板参参数数:基基板板介介电电常常数数r、基基板板介介质质损损耗耗角角正正切切tan、基基板板高高度度h和和导导线

43、线厚厚度度t。导导带带和和底底板板(接接地地板板)金金属属通通常常为为铜铜、金金、银银、锡锡或或铝。铝。第55页，此课件共80页哦（2）电特性参数电特性参数:特性阻抗特性阻抗Z0、工作频率、工作频率f0、工作波长、工作波长0、波导波、波导波长长g和电长度和电长度(角度角度)。（3）微带线参数：宽度微带线参数：宽度W、长度、长度L和单位长度衰减量和单位长度衰减量AdB。2.2.综合公式综合公式 已已知知传传输输线线的的电电特特性性参参数数（Z Z0 0、）,求求微微带带线线的的物物理理结结构构参参数（数（W W、L L、A AdBdB）。）。解解:第56页，此课件共80页哦其中：其中：高阻高阻Z

44、044-2r低阻低阻Z044-2r高阻高阻Z044-2r低阻低阻Z044-2r第57页，此课件共80页哦第58页，此课件共80页哦解解:宽带宽带W3.3h窄带窄带W3.3h高阻高阻Z044-2r低阻低阻Z044-2r3.3.分析公式分析公式已知微带线的物理结构参数（已知微带线的物理结构参数（W W、L L、A AdBdB）,求电特性参数（求电特性参数（Z Z0 0、）。）。第59页，此课件共80页哦4.4.微带线的设计方法微带线的设计方法由由上上述述综综合合公公式式和和分分析析公公式式可可以以看看出出：计计算算公公式式极极为为复杂复杂。每一个电路的设计都使用一次这些公式是不现实的。每一个电路的

45、设计都使用一次这些公式是不现实的。微微带带线线设设计计问问题题的的实实质质就就是是求求给给定定介介质质基基板板情情况况下下阻阻抗抗与与导带宽度导带宽度的对应关系。的对应关系。目前使用的方法主要有：目前使用的方法主要有：（1 1）查表格。）查表格。按相对介电常数选表格；按相对介电常数选表格；查查阻阻抗抗值值、宽宽高高比比W/hW/h、有有效效介介电电常常数数e e三三者者的的对对应应关系关系,只要已知一个值只要已知一个值,其他两个就可查出；其他两个就可查出；计计算算,通通常常h h已已知知,则则W W可可得得,由由e e求求出出波波导导波波长长,进进而而求出微带线长度。求出微带线长度。第60页，

46、此课件共80页哦当当金属导带的厚度远小于介质金属导带的厚度远小于介质基板厚度基板厚度h时时，微带线有效相对介，微带线有效相对介电常数电常数的经验公式为：的经验公式为：微带线的特性阻抗微带线的特性阻抗计算微带线阻抗计算微带线阻抗的经验公式：的经验公式：是波阻抗是波阻抗第61页，此课件共80页哦利用上式可计算精度非常高的微带线特性阻抗。利用上式可计算精度非常高的微带线特性阻抗。射频信号在微带线中的波长射频信号在微带线中的波长(波导波长波导波长)可以根据有效相对可以根据有效相对介电常数表示：介电常数表示：为射频信号在自由空间的波长。为射频信号在自由空间的波长。例例2-3微带传输线的介质基板相对介电常

47、数为微带传输线的介质基板相对介电常数为2.70，基板厚度为，基板厚度为1.00mm，微带线的宽度为，微带线的宽度为W=2.02mm，微带线的厚度可，微带线的厚度可以忽略不计。试求以忽略不计。试求(1)该微带线中射频信号的相速度该微带线中射频信号的相速度Vp，(2)当工作频率为当工作频率为3GHz时，八分之一波长微带线的长度。时，八分之一波长微带线的长度。(3)在在3GHz的频率下，长度为的频率下，长度为1cm的微带传输线引起的相的微带传输线引起的相位差。位差。第62页，此课件共80页哦首先用下图确定近似的首先用下图确定近似的w/h比值比值,选择对应选择对应r r=4.6=4.6的曲线的曲线,找

48、出找出Z Z0 0=50=50.w/h近似为近似为1.9。当选择当选择w/hb）第74页，此课件共80页哦一般情况下一般情况下,矩形波导传输的矩形波导传输的H H1010模模,场方程为场方程为电磁场只有三个分量电磁场只有三个分量,与与y无关无关,说明三个分量在说明三个分量在y方向没有变化。方向没有变化。第75页，此课件共80页哦 H H1010模模的的电电磁磁场场沿沿z z方方向向向向g g/2/2内内的的立立体体结结构构就就像像一一个个“鸟鸟笼笼”,如图如图2-192-19所示。所示。图图2-19矩形波导主模矩形波导主模H10的电磁场结构的电磁场结构电场在电场在x方向呈方向呈正弦分布正弦分布

49、,在在a/2处为处为最大值最大值,电力线垂直电力线垂直于波导宽边。于波导宽边。磁场有磁场有x和和z两两个方向个方向,其中其中x方向在方向在a/2处最大处最大,z方向在方向在a/2处最小处最小,磁力线呈磁力线呈椭圆面形椭圆面形,与波导宽与波导宽边面平行。边面平行。第76页，此课件共80页哦波波导导内内传传输输的的是是色色散散波波,波波导导内内的的波波长长比比自自由由空空间间波波长大长大,为为波波导导的的尺尺寸寸选选择择原原则则是是,只只有有主主模模传传输输,有有足足够够的的功功率率容量容量,损损耗小耗小,尺寸尽可能小。考尺寸尽可能小。考虑这虑这些因素些因素,通常取通常取a=0.7 第77页，此课

50、件共80页哦 波波导导尺尺寸寸与与信信号号的的工工作作频频率率有有关关,国国家家对对波波导导abab有标准规定有标准规定,表表2-32-3给出了波导标准频段和尺寸。给出了波导标准频段和尺寸。表表2-3波导标准频段和尺寸波导标准频段和尺寸第78页，此课件共80页哦2.8.2 2.8.2 同轴线同轴线同轴线广泛应用于射频和微波低端。同轴线广泛应用于射频和微波低端。同同轴轴线线分分为为三三类类：刚刚性性同同轴轴线线,主主要要是是空空气气介介质质的的同同轴轴元元件和陶瓷类刚性介质的同轴元件；件和陶瓷类刚性介质的同轴元件；软软同同轴轴电电缆缆,用用于于信信号号传传输输、系系统统连连接接和测试仪器和测试仪