第3章微波传输线优秀课件.ppt

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1、第第3章微波传输线章微波传输线第1页，本讲稿共39页31引言引言微微波波传传输输线线：用用来来传传输输微微波波信信号号和和微微波波能能量量的的传传输输线。线。微波传输线可微波传输线可分为三类分为三类:1.TEM 1.TEM模传输线模传输线(包括准包括准TEMTEM模传输线）模传输线）2.TE2.TE模和模和TMTM模传输线模传输线 3.3.表面波传输线表面波传输线,其传输模式一般为混合模其传输模式一般为混合模 第2页，本讲稿共39页图311TEMTEM模传输线模传输线TETE模和模和TMTM模传输线模传输线表面波传输线表面波传输线准准TEM模模介质波导介质波导介质镜像线介质镜像线第3页，本讲稿

2、共39页 平行双线用于传输低频微波能量和信号平行双线用于传输低频微波能量和信号;当当频频率率提提高高到到其其波波长长和和两两根根导导线线间间的的距距离离可可以以相相比比时时,电电磁磁能能量量会会通通过过导导线线向向空空间间辐辐射射出出去去,损损耗耗随随之之增增加加,频频率率愈愈高高,损损耗耗愈愈大大,因因此此在在微微波波的的高高频频段段,平平行行双线不能用来作为传输线。双线不能用来作为传输线。平行双线平行双线典型的平行双线：典型的平行双线：连接天线和电视机的扁平馈线连接天线和电视机的扁平馈线计算机的计算机的USB延长线延长线电源线电源线固定电话线固定电话线第4页，本讲稿共39页 同同轴轴线线传

3、传输输线线所所传传输输的的电电磁磁波波频频率率范范围围较较平平行行双双线线高高,适用于厘米波段，是目前常用的微波传输线。适用于厘米波段，是目前常用的微波传输线。若若频频率率继继续续提提高高,同同轴轴线线的的横横截截面面尺尺寸寸必必须须相相应应减减小小,才才能能保保证证它它只只传传输输TEMTEM模模,这这样样会会导导致致同同轴轴线线的的导导体体损损耗耗增增加加,传传输输功功率率容容量量降降低低。因因此此同同轴轴线线又又不不能能传传输输更高频率的电磁波更高频率的电磁波,一般只适用于厘米波段。一般只适用于厘米波段。同轴线同轴线典型的应用：典型的应用：有限电视网有限电视网卫星地面接收站卫星地面接收站

4、高速局域网高速局域网第5页，本讲稿共39页矩形波导矩形波导波导（空心金属管）当横截面尺寸与工作波长满足波导（空心金属管）当横截面尺寸与工作波长满足一定关系时，可以传输电磁波。一定关系时，可以传输电磁波。是微波波段常用的是微波波段常用的传输线。传输线。在低频段不采用波导来传输能量，否则尺在低频段不采用波导来传输能量，否则尺寸太大，重量太重寸太大，重量太重圆波导圆波导缺点：频带窄缺点：频带窄采用脊波导加宽频带采用脊波导加宽频带第6页，本讲稿共39页电子产品的发展方向电子产品的发展方向“小小”优点：体积小，重量轻，频带宽优点：体积小，重量轻，频带宽缺点：损耗大，功率容量小缺点：损耗大，功率容量小主要

5、用于小功率的微波系统主要用于小功率的微波系统微微 带带第7页，本讲稿共39页带状线可以看做三层微带传输线带状线可以看做三层微带传输线带状线带状线第8页，本讲稿共39页32带状线带状线 带带状状线线由由一一条条厚厚度度为为t,t,宽宽度度为为W W的的矩矩形形截截面面的的中中心心导导带带和和上上、下下两两块块接接地地板板构构成成。两两接接地地板板的的距距离离为为b b。中中心心导导带带的的周周围围媒媒质质可可以以是是空空气气,也也可可以以是是其其它它介介质质。带带状状线线中中传传输输的的主主模模为为TEMTEM模模。带状线带状线第9页，本讲稿共39页 一、特性阻抗一、特性阻抗 TEMTEM模传输

6、线特性阻抗的计算公式为模传输线特性阻抗的计算公式为(321)式式中中L L1 1和和C C1 1分分别别为为带带状状线线单单位位长长度度上上的的分分布布电电感感和和分分布电容布电容;v;vp p为带状线中为带状线中TEMTEM模的传播速度。模的传播速度。零厚度中心导带带状线特性阻抗的精确公式：零厚度中心导带带状线特性阻抗的精确公式：(322)第10页，本讲稿共39页式中：为第一类完全椭圆积分为第一类完全椭圆积分为第一类余全椭圆积分为第一类余全椭圆积分为模数为模数 为余模数为余模数第11页，本讲稿共39页图322结论：结论：尺寸尺寸w/bw/b，t/bt/b越大，特性阻抗越大，特性阻抗Z Z0

7、0越低越低中心导带周围介质的介电常数越大，特性阻抗中心导带周围介质的介电常数越大，特性阻抗Z Z0 0越低越低第12页，本讲稿共39页二、带状线尺寸的设计考虑二、带状线尺寸的设计考虑 1.1.带状线的尺寸必须满足关系式：带状线的尺寸必须满足关系式：(323)带状线中才能保证只传输带状线中才能保证只传输TEMTEM模模 式中式中minmin为最短工作波长。为最短工作波长。2.2.接地板宽度接地板宽度D D和接地板间距和接地板间距b b必须满足：必须满足：(324)第13页，本讲稿共39页33微带传输线微带传输线介介质质基基片片的的一一边边为为中中心心导导带带,另另一一边边为为接接地地板板,其其基

8、片厚度为基片厚度为h,h,中心导带的宽度为中心导带的宽度为w w。第14页，本讲稿共39页制作工艺：先将基片制作工艺：先将基片(最常用的是氧化铝最常用的是氧化铝)研磨、抛研磨、抛光和清洗光和清洗,然后放在真空镀膜机中形成一层铬然后放在真空镀膜机中形成一层铬-金层金层,再利用光刻技术制成所需要的电路再利用光刻技术制成所需要的电路,最后采用电镀最后采用电镀的办法加厚金属层的厚度的办法加厚金属层的厚度,并装接上所需要的有源并装接上所需要的有源器件和其它元件器件和其它元件,形成微带电路。形成微带电路。第15页，本讲稿共39页一、微带线中的主模一、微带线中的主模 对对于于空空气气介介质质的的微微带带线线

9、,周周围围是是均均匀匀的的空空气气,因因此它可以存在无色散的此它可以存在无色散的TEMTEM模。模。实实际际的的微微带带线线是是制制作作在在介介质质基基片片上上的的,由由于于存存在在空空气气和和介介质质的的分分界界面面,只只能能存存在在TETE模模和和TMTM模模的的混混合模。合模。在在微微波波波波段段的的低低频频端端由由于于场场的的色色散散现现象象很很弱弱,传输模式类似于传输模式类似于TEMTEM模模,故称为故称为准准TEMTEM模模。第16页，本讲稿共39页二、微带线的特性阻抗二、微带线的特性阻抗 在在微微波波波波段段微微带带线线工工作作在在弱弱色色散散区区,因因此此把把微微带带线线的的工

10、工作作模模式式当当作作TEMTEM模模来来分分析析,这这种种方方法法称称为为“准静态分析法准静态分析法”。由由前前面面分分析析知知道道TEMTEM模模传传输输线线的的特特性性阻阻抗抗的的计计算公式为算公式为 (331)第17页，本讲稿共39页对对于于图图332(a)332(a)所所示示的的空空气气微微带带线线,微微带带线线中中传传输输TEMTEM模模的的相相速速度度v vp p=v=v0 0(光光速速),),并并假假设设它它的的单单位位长度上电容为长度上电容为C C0101,则其特性阻抗为则其特性阻抗为(332)第18页，本讲稿共39页空气微带线空气微带线全部用介质填充全部用介质填充实际微带线

11、实际微带线等效微带线等效微带线等效介电常数等效介电常数第19页，本讲稿共39页微带线中波的相波长为微带线中波的相波长为(333)微带线中单位长度的电容为微带线中单位长度的电容为(334)(335)故微带线的特性阻抗为故微带线的特性阻抗为等效微带线中波的相速度为等效微带线中波的相速度为第20页，本讲稿共39页(337)式式中中q q为为填填充充因因子子,表表示示介介质质填填充充的的程程度度。当当q=0,q=0,则则rere=1,=1,表表示示无无介介质质填填充充;当当q=1,q=1,则则rere=r r,表表示示全全部部介介质质填填充充。可可以以证证明明q q值值主主要要决决定定w/hw/h值值

12、,而而与与r r关关系系不不大大,其计算公式为其计算公式为(338)应用保角变换方法确定空气微带线的电容应用保角变换方法确定空气微带线的电容C01和实际微带和实际微带线的电容线的电容C1,两者比值的倒数为两者比值的倒数为相对等效介电常数相对等效介电常数,即即第21页，本讲稿共39页 右右图图为为空空气气微微带带线线特特性性阻阻抗抗Z Z0101及及填填充充因因子子q q和和微微带带线线w/hw/h的关系曲线。的关系曲线。实实际际微微带带线线的的特特性性阻阻抗抗可可以以应应用用逼逼近近法法直直接接查查图图333333求求得得,也也可可以以查查实实际际微微带带线线特特性性阻阻抗抗Z Z0 0和和r

13、 r、w/hw/h的的关关系系曲曲线线或或表表格格,这这些些曲曲线线和和表表格格在在微微波工程手册中均可查得。波工程手册中均可查得。第22页，本讲稿共39页表表331 331 微带线特性阻抗微带线特性阻抗Z Z0 0和相对等效介电常数与尺寸的关系和相对等效介电常数与尺寸的关系氧化铝陶瓷介质作为介质基片氧化铝陶瓷介质作为介质基片第23页，本讲稿共39页三三,微带线的色散特性和尺寸设计考虑微带线的色散特性和尺寸设计考虑;(一一)微带线的色散特性微带线的色散特性当当频频率率比比较较高高时时,微微带带线线中中的的传传输输模模式式不不是是TEMTEM模模,而而是混合模。微带线中的电磁波出现色散现象是混合

14、模。微带线中的电磁波出现色散现象但当频率但当频率f f低于某一个临界值低于某一个临界值f f0 0时时,微带线的色微带线的色散可以不予考虑散可以不予考虑,其其临界频率临界频率f f0 0为为：(339)第24页，本讲稿共39页(二二)微带尺寸设计考虑微带尺寸设计考虑当当工工作作频频率率提提高高时时,微微带带线线中中除除了了传传输输TEMTEM模模以以外外,还还会会出出现现高高次次模模。据据分分析析,当当微微带带线线的的尺尺寸寸w w和和h h给给定时定时,最短工作波长只要满足最短工作波长只要满足 就可保证微带线中只传输就可保证微带线中只传输TEMTEM模模(3310)第25页，本讲稿共39页3

15、4耦合带状线和耦合微带线耦合带状线和耦合微带线 当当两两对对传传输输线线互互相相靠靠近近时时,彼彼此此会会产产生生电电磁磁耦耦合合,这种传输线称为耦合传输线这种传输线称为耦合传输线耦合带状线耦合带状线耦合微带线耦合微带线第26页，本讲稿共39页对对于于耦耦合合传传输输线线的的分分析析,通通常常采采用用奇奇偶偶模模参参量量法法进行分析进行分析.奇偶模参量法奇偶模参量法(叠加原理叠加原理):):激励电压激励电压分解成一对等幅反相的分解成一对等幅反相的奇模电压奇模电压和一对等幅同相的和一对等幅同相的偶模电压偶模电压第27页，本讲稿共39页激励电压激励电压奇模电压奇模电压偶模电压偶模电压在一般情况下在

16、一般情况下,U,U2 2=0,=0,故故第28页，本讲稿共39页耦合带状线耦合带状线奇模激励下的奇模场型奇模激励下的奇模场型,其对称面为电壁其对称面为电壁偶模激励下的偶模场型偶模激励下的偶模场型,其对称面为磁壁其对称面为磁壁联想两个正电荷，一正联想两个正电荷，一正一负电荷之间的电场线一负电荷之间的电场线第29页，本讲稿共39页 由由于于奇奇、偶偶模模的的场场分分布布不不同同,故故单单位位长长度度上上对对地地的的奇奇、偶偶模模电电容容不不同同,分分别别用用C C0o0o和和C C0e0e来来表表示示。根根据据传传输输线线理理论论很很容容易易写写出出耦耦合合带带状状线线的的奇奇、偶偶模模特特性性阻

17、阻抗抗分分别为别为(343)(344)第30页，本讲稿共39页 v vpopo和和v vpepe分分别别表表示示奇奇、偶偶模模的的相相速速度度。对对于于耦耦合合带带状状线线,由由于于周周围围介介质质是是均均匀匀的的,因因此此奇奇、偶偶模模速速度度相相等等,即即(345)奇、偶模的相波长为奇、偶模的相波长为(346)第31页，本讲稿共39页 图图345345和和346346分分别别表表示示耦耦合合带带状状线线的的奇奇、偶偶模模阻阻抗抗Z Z0o0o、Z Z0e0e与与耦耦合合带带状状线线尺尺寸寸s/bs/b、w/bw/b的的列列线线图图。图图中中s s为为耦耦合合带带状状线线中中心心导导带带间间

18、的的间间距距,b b为为两两接接地地板板间间的的距距离离,w w为为中中心心导导带带的的宽宽度度。由由图图可可根根据据已已知知的的Z Z0o0o、Z Z0e0e很方便求得很方便求得s/bs/b和和w/bw/b。第32页，本讲稿共39页图345第33页，本讲稿共39页图346第34页，本讲稿共39页耦合微带线耦合微带线奇模激励下的奇模场型奇模激励下的奇模场型,其其对称面为电壁对称面为电壁偶模激励下的偶模场型偶模激励下的偶模场型,其其对称面为磁壁对称面为磁壁第35页，本讲稿共39页耦耦合合微微带带线线周周围围介介质质是是非非均均匀匀的的,引引进进奇奇、偶偶相相对对等等效介电常数分别为效介电常数分别

19、为reoreo、reeree 利利用用准准静静态态方方法法可可求求得得相相对对介介电电常常数数分分别别为为1(1(空空气气)和和r r(介介质质基基片片)的的耦耦合合微微带带线线中中每每条条导导带带单单位位长长度度上上对对地地 的的 奇奇、偶偶 模模 电电 容容 C C0o0o(1)(1)、C C0e0e(1)(1)和和 C C0o0o(r r)、C C0e0e(r r),),则则耦耦合合微微带带线线的的奇奇、偶偶模模等等效效介介电电常常数数分分别别为为 (347)(348)第36页，本讲稿共39页 耦合微带线的奇、偶模相速度和相波长分别为耦合微带线的奇、偶模相速度和相波长分别为 (349)(3410)(3411)(3412)奇模相速度奇模相速度:偶模相速度偶模相速度:奇模相波长奇模相波长:偶模相波长偶模相波长:第37页，本讲稿共39页图347耦合微带线的奇、偶模特性阻抗耦合微带线的奇、偶模特性阻抗Z Z0o0o、Z Z0e0e与耦合微带线与耦合微带线尺寸尺寸w/hw/h和和s/hs/h的关系曲线的关系曲线(r r=9)=9)第38页，本讲稿共39页图348耦合微带线的奇、偶特性阻抗耦合微带线的奇、偶特性阻抗Z0oZ0o和和Z0eZ0e与耦合微带线与耦合微带线尺寸尺寸w/hw/h和和s/hs/h的另一组曲线的另一组曲线(r=10)(r=10)第39页，本讲稿共39页