微波技术长线理论幻灯片.ppt

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1、微波技术长线理论第1页，共18页，编辑于2022年，星期六第一节第一节 传输线的基本概念传输线的基本概念 一、传输线及其种类一、传输线及其种类 传输线传输线 用来传输电磁能量的装置。用来传输电磁能量的装置。由传输系统引导，向一定方向传播的电磁波由传输系统引导，向一定方向传播的电磁波称为称为导行波导行波。微波传输线与低频传输线的不同点：微波传输线与低频传输线的不同点：1.微波传输线种类繁多微波传输线种类繁多,按其所传输的导行波按其所传输的导行波型可分为三大类：型可分为三大类：第2页，共18页，编辑于2022年，星期六 (1)TEM波波(包括准包括准TEM波波)传输线传输线图图2-1 TEM波传输

2、线波传输线(a)平行双导线平行双导线 (b)同轴线同轴线 (c)带状线带状线 (d)微带微带属双导体系统，其频带宽，但在高频段传输电磁属双导体系统，其频带宽，但在高频段传输电磁能量损耗较大。能量损耗较大。第3页，共18页，编辑于2022年，星期六 (2)金属波导传输线金属波导传输线,其传输模为其传输模为TE、TM波。波。图图2-2 波导传输线波导传输线(e)矩形波导矩形波导 (f)圆形波导圆形波导 (g)脊形波导脊形波导 (h)椭圆波导椭圆波导属单导体传输系统，又称色散波传输线。具有属单导体传输系统，又称色散波传输线。具有损耗小、功率容量大、体积大、频带窄等特点。损耗小、功率容量大、体积大、频

3、带窄等特点。第4页，共18页，编辑于2022年，星期六 (3)表面波传输线表面波传输线图图2-3 表面波传输线表面波传输线(i)介质波导介质波导 (j)镜像线镜像线 (k)单根表面波传输线单根表面波传输线主要用于传输表面波主要用于传输表面波,电磁能量沿传输线的表面传电磁能量沿传输线的表面传输。具有结构简单、体积小、功率能量大等优点。输。具有结构简单、体积小、功率能量大等优点。第5页，共18页，编辑于2022年，星期六 2.微波传输线不仅能传输电磁能量微波传输线不仅能传输电磁能量,还可用来还可用来构成各种微波元件构成各种微波元件(如谐振腔、滤波器、阻抗匹配如谐振腔、滤波器、阻抗匹配器、定向耦合器

4、等器、定向耦合器等)。这与低频传输线截然不同。这与低频传输线截然不同。当传输线的横向尺寸比信号波长小得多、而当传输线的横向尺寸比信号波长小得多、而轴向尺寸轴向尺寸(即长度即长度)远比信号波长大时远比信号波长大时,可将传输线可将传输线看成一维分布参数电路。看成一维分布参数电路。本章讨论的是指本章讨论的是指传输传输TEM波的传输线波的传输线，可用，可用双导线模型双导线模型进行分析。进行分析。第6页，共18页，编辑于2022年，星期六二、分布参数概念二、分布参数概念 1.长线与短线长线与短线 相对长度相对长度l/称为传输线的称为传输线的电长度电长度。通常，当通常，当：l/0.05 ,即即几何长度与工

5、作波长可比拟或更长的称为几何长度与工作波长可比拟或更长的称为长线长线；l/0.05 ,即即几何长度与工作波长相比可忽略不计的为几何长度与工作波长相比可忽略不计的为短线短线。例如：例如：传输传输3GHz(=10cm)的同轴线的同轴线 l=0.5m,输送市电的电力传输线输送市电的电力传输线(f=50Hz,=6000 km)，长达几千米，长达几千米，为为长线。长线。为为短线。短线。第7页，共18页，编辑于2022年，星期六图图 2-4 电电 流流(电电 压压)沿沿 线线 分分 布布 图图 用图用图2-4所示线上电压所示线上电压(或电流或电流)随空间位置分布状况来说明随空间位置分布状况来说明长、短线的

6、区别长、短线的区别:第8页，共18页，编辑于2022年，星期六 图图(a)为半波长的波形图为半波长的波形图,AB ,为为“短线短线”，某一时刻某一时刻,AB上各点的电压上各点的电压(电流电流)的大小和相位的大小和相位几乎不变。几乎不变。图图(b)高频波形图，虽线段长仍高频波形图，虽线段长仍为为AB，但在，但在某一瞬间，其上各点的电压某一瞬间，其上各点的电压(或电流或电流)的大小和的大小和相位均有很大的变化，此时的相位均有很大的变化，此时的AB应视为应视为“长线长线”。显然，微波传输线属于显然，微波传输线属于“长线长线”的范畴，的范畴，故本章称为故本章称为“长线理论长线理论”，即微波传输线即微波

7、传输线基本理论。基本理论。第9页，共18页，编辑于2022年，星期六 2.分布参数与分布参数电路分布参数与分布参数电路 长线和短线的区别还在于：长线和短线的区别还在于：长线为分布参数电路长线为分布参数电路,短线为集中参数电路。短线为集中参数电路。低频电路中低频电路中,电路元件参数电路元件参数(R、L、C)基本上基本上都集中在相应的元件都集中在相应的元件(电阻、电感器、电容器电阻、电感器、电容器)中，中，称为集中参数。称为集中参数。电路中还存在着元件间连线的电阻、电感和电路中还存在着元件间连线的电阻、电感和导线间的电容等，称为分布参数。导线间的电容等，称为分布参数。低频电路中低频电路中,分布参数

8、的量值与集中参数相比，分布参数的量值与集中参数相比，微乎其微微乎其微,可忽略不计。低频传输线为短线可忽略不计。低频传输线为短线,在电在电路中只起连接线作用。路中只起连接线作用。低频电路为集中参数电路。低频电路为集中参数电路。第10页，共18页，编辑于2022年，星期六 高频信号通过传输线时会产生以下分布参数：高频信号通过传输线时会产生以下分布参数：导体周围高频磁场高频磁场串联分布电感串联分布电感；两导体间高频电场高频电场并联分布电容并联分布电容；导线 有限有限，高频电流趋肤效应高频电流趋肤效应分布电阻分布电阻；导体间非理想绝缘非理想绝缘漏电漏电并联分布电导并联分布电导。当双导线工作在微波波段时

9、，分布参数的影响当双导线工作在微波波段时，分布参数的影响不容忽视。不容忽视。第11页，共18页，编辑于2022年，星期六 例：设双导线例：设双导线的分布电感分布电感 L0=0.999nH/mm，分布电容分布电容 C0=0.0111pF/mm;工作在工作在 f=50Hz时引入的时引入的串联电抗、串联电抗、并联导纳：并联导纳：XL f=50Hz=L=2 f L0=314 10-3/mm Bc f=50Hz=C=2 f C0=3.49 10-12 S/mm当频率升到当频率升到5000MHz时：时：XL f=5000MHz=L=2 f L0=31.4 /mm Bc f=5000MHz=2 f C0=3

10、.49 10-4 S/mm后者是前者的一亿倍，其分布参数效应不容后者是前者的一亿倍，其分布参数效应不容忽视。忽视。第12页，共18页，编辑于2022年，星期六 微波传输线微波传输线,其电路参数其电路参数(R、L、C、G)及及 电路物理量电路物理量(u、i)，都是沿线分布的，都是沿线分布的(是是 z，t 的的函数函数)，称之为分布参数电路，必须用传输线理，称之为分布参数电路，必须用传输线理论来研究。论来研究。第13页，共18页，编辑于2022年，星期六三、均匀传输线及其等效电路三、均匀传输线及其等效电路 传输线上处处存在分布电阻、分布电感、线间传输线上处处存在分布电阻、分布电感、线间处处存在分布

11、电容和漏电电导。处处存在分布电容和漏电电导。根据传输线上分布参数均匀与否，可将传输线根据传输线上分布参数均匀与否，可将传输线分为均匀传输线和非均匀传输线分为均匀传输线和非均匀传输线。本章只限于研究均匀传输线。本章只限于研究均匀传输线。1.均匀传输线均匀传输线(均匀长线均匀长线)：分布参数沿线均匀：分布参数沿线均匀分布，与位置无关。分布，与位置无关。第14页，共18页，编辑于2022年，星期六 2.均匀传输线均匀传输线的分布参数分布参数：分布电阻分布电阻 R0(/m)：单位长度传输线段的总电阻值。：单位长度传输线段的总电阻值。与导线的材料及截面尺寸有关，理想导体的与导线的材料及截面尺寸有关，理想

12、导体的R0=0。分布电导分布电导G0(S/m)：单位长度传输线段的并联电导值。：单位长度传输线段的并联电导值。与导线周围介质材料的损耗角有关与导线周围介质材料的损耗角有关，理想介质的，理想介质的G0=0。分布电感分布电感 L0(H/m)：单位长度传输线段的自感。与：单位长度传输线段的自感。与导线截面尺寸、线间距及介质的磁导率有关。导线截面尺寸、线间距及介质的磁导率有关。分布电容分布电容C0(F/m)：单位长度传输线段间的电容。与：单位长度传输线段间的电容。与导线截面尺寸、线间距及介质的介电常数有关。导线截面尺寸、线间距及介质的介电常数有关。第15页，共18页，编辑于2022年，星期六 本章主要

13、研究均匀无耗传输线，本章主要研究均匀无耗传输线，R0=0，G0=0；L0、C0 的计算公式见的计算公式见P6表表2-1。3.均匀传输线的等效电路均匀传输线的等效电路 对于均匀传输线对于均匀传输线,由于分布参数均匀分布，故可任由于分布参数均匀分布，故可任取一小段线元取一小段线元 dz 来讨论，来讨论，dz可作为可作为“短线短线”，即集中，即集中参数电路来处理参数电路来处理,并等效为一个集中参数的并等效为一个集中参数的 型网络。而型网络。而整个传输线就可视为由许多相同线元整个传输线就可视为由许多相同线元dz的等效网络级联的等效网络级联而成的电路，如图而成的电路，如图2-5所示。所示。第16页，共1

14、8页，编辑于2022年，星期六 用等效电路解释微波传输线上不同位置的电压、电用等效电路解释微波传输线上不同位置的电压、电流不同的现象。如图流不同的现象。如图,由于由于1-1和和2-2之间有串联电阻存之间有串联电阻存在，因而电压不同；又由于线间并联回路的分流作用，在，因而电压不同；又由于线间并联回路的分流作用，通过通过1点和点和2点的电流也不同。点的电流也不同。第17页，共18页，编辑于2022年，星期六 当接通电源后当接通电源后,电流通过分布电感逐级向分布电流通过分布电感逐级向分布电容充电形成向负载方向传输的电压波和电流波，电容充电形成向负载方向传输的电压波和电流波，即，即，电压和电流是以波的形式在传输线上传播并电压和电流是以波的形式在传输线上传播并将能量从电源传至负载。将能量从电源传至负载。思考题：思考题：1.什么叫传输线？微波传输线可分为哪几类？什么叫传输线？微波传输线可分为哪几类？2.何谓何谓“长线长线”、“短线短线”？举例说明。？举例说明。3.什么叫分布参数电路？它与集中参数电路什么叫分布参数电路？它与集中参数电路在概念和处理手法上有何不同？在概念和处理手法上有何不同？第18页，共18页，编辑于2022年，星期六