传输线理论.ppt

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1、第第4章章 传输线理论传输线理论主要内容：主要内容：均匀传输线方程（理解）均匀传输线方程（理解）传输线阻抗与状态参量（传输线阻抗与状态参量（掌握掌握）传输传输 线的状态分析（线的状态分析（掌握，重点掌握，重点）阻抗匹配（理解，阻抗匹配（理解，掌握，重点掌握，重点）Smith圆图（圆图（掌握掌握）1 传输线的定义传输线的定义:凡是能够导引电磁波沿一定方向传输的导体、凡是能够导引电磁波沿一定方向传输的导体、介质或由它们共同组成的导波系统；介质或由它们共同组成的导波系统；传输线的主要功能传输线的主要功能传输能量传输能量构成微波电路元构成微波电路元(器器)件件 传输线的基本要求传输线的基本要求 工作频

2、带宽、工作频带宽、功率容量大功率容量大 工作稳定性好；损耗小；尺寸小；成本工作稳定性好；损耗小；尺寸小；成本低低引言引言2 微波传输的最明显特征是别树一帜微波传输的最明显特征是别树一帜的微波传输线，例如，双导线、同轴的微波传输线，例如，双导线、同轴线、带线和微带等等。我们很容易提线、带线和微带等等。我们很容易提出一个问题：微波传输线为什么不采出一个问题：微波传输线为什么不采用用50Hz市电明线呢市电明线呢?在低频里面我们在低频里面我们从来没有讨论过传输线的问题，为什从来没有讨论过传输线的问题，为什么到了微波波段需要讨论？么到了微波波段需要讨论？3 1、低频传输线、低频传输线 在在低低频频中中，

3、电电流流几几乎乎均均匀匀地地分分布布在在导导线线内内。电电流流和和电荷可等效地集中在轴线上，电荷可等效地集中在轴线上，波印廷矢量集中在导体内部传播，外部极少。波印廷矢量集中在导体内部传播，外部极少。求求解解物物理理量量只只须须用用I，V和和欧欧姆姆定定律律解解决决即即可可，无无须须用电磁理论。用电磁理论。不论导线怎样弯曲，能流都在导体内部和表面附近。不论导线怎样弯曲，能流都在导体内部和表面附近。低频电路有许多课程，唯独没有传输线课程，理由很简单：低频电路有许多课程，唯独没有传输线课程，理由很简单：只有两根线有什么理论可言？只有两根线有什么理论可言？这里却要深入研究这个问题。这里却要深入研究这个

4、问题。4例例1 1计计算算半半径径r r0 0=2mm=2=2mm=21010-3-3m m的的铜铜导导线线单单位位长长度度的直流线耗的直流线耗R R0 0代入铜材料代入铜材料同时考虑同时考虑OhmOhm定律定律IJSErVEdl=sp02JE=sRVIEdlE rlr0020273231581021013710=-s pspp.()./Wms=58107.52.微波传输线微波传输线 当频率升高出现的第一个问题是导体的集肤效应。当频率升高出现的第一个问题是导体的集肤效应。导体的电流、电荷和场都集中在导体表面导体的电流、电荷和场都集中在导体表面,导线内部几乎无能量传输，而是通过导线间的空间传输导

5、线内部几乎无能量传输，而是通过导线间的空间传输。6 例例2 2研研究究 f=10GHz=10f=10GHz=101010HzHz、L=3cmL=3cm、r r0 0=2mm=2mm导导线线的的 线耗线耗R R？计计及及在在微微波波波波段段中中，是是一一阶阶小小量量，对对于于 及及以以上上量量完全可以忽略。则完全可以忽略。则 而而RE lIlr=002p sDIE r=20 0psDIJdsJ edsEerdrdIE ere drE eardeE earee drEaraaea rra rrararrararrarararrar=-=-+-0000000000220000000002212121

6、11()()sqpspspsps7和直流的同样情况比较和直流的同样情况比较从直流到从直流到10101010HzHz，损耗要增加，损耗要增加15001500倍。倍。ssp=-508100066100661038310122103831020771063./,./DDWDff=HzR m若RRr0032151510=D.8图图2-2 2-2 直线电流均匀分布直线电流均匀分布 图图2-3 2-3 微波集肤效应微波集肤效应 损损耗耗是是传传输输线线的的重重要要指指标标，如如果果要要将将 ，使使损损耗耗与与直流保持相同，易算出直流保持相同，易算出r 0r0集肤效应带来的直接效果是：柱内部并无能量传输。集

7、肤效应带来的直接效果是：柱内部并无能量传输。直径直径d=6.06 md=6.06 m。9这种情况，已不能称为微波传输线，而应称之为微波传输这种情况，已不能称为微波传输线，而应称之为微波传输“柱柱”比较合适，其粗度超过人民大会堂的主柱。比较合适，其粗度超过人民大会堂的主柱。2米高的实心米高的实心微波传输铜柱约微波传输铜柱约514吨重吨重(铜比重是铜比重是8.9T/m3)，10看来，微波传输线必须走自己的路。每一种事物都有自己独看来，微波传输线必须走自己的路。每一种事物都有自己独特的本质，硬把不适合的情况强加给它，必然会出现荒唐的特的本质，硬把不适合的情况强加给它，必然会出现荒唐的结论。刚才讨论的

8、例子正是因为我们硬设想把微波结论。刚才讨论的例子正是因为我们硬设想把微波“关在关在”铜导线内传播，事实上也不可能。铜导线内传播，事实上也不可能。“满圆春色关不住，一枝满圆春色关不住，一枝红杏出墙来红杏出墙来”最简单而实用的微波传输线是双导线，它们与低最简单而实用的微波传输线是双导线，它们与低频传输线有着本质的不同：频传输线有着本质的不同：功率是通过双导线之功率是通过双导线之间的空间传输的。间的空间传输的。微波功率应该微波功率应该(绝大部分绝大部分)在导线之外的空间传输在导线之外的空间传输.11 更加明确了更加明确了Guide LineGuide Line的含义的含义:导线只是起到引导的作用，而

9、实际上传输的是周围空导线只是起到引导的作用，而实际上传输的是周围空间间(Space)(Space)(但是，没有但是，没有Guide LineGuide Line又不行又不行)。D D和和d d是是特征尺寸，对于传输线性质十分重要。特征尺寸，对于传输线性质十分重要。图图 2-4 2-4 双导线双导线 DdJJSEH 传 输 空 间12微波传输线大致可分三种类型微波传输线大致可分三种类型（1）TEM波（2）TE、TM波（3）表面波13v 对于低频信号，例如对于低频信号，例如50Hz的交流电源，对应波长为的交流电源，对应波长为6106米，即米，即6千公里，因而千公里，因而30km的输电线只能是短线的

10、输电线只能是短线 但一段但一段10cm的波导，若工作在的波导，若工作在30GHz，对应波长为，对应波长为1cm，则是地道的长线，则是地道的长线1“长线长线”和和“短线短线”当传输线的长度当传输线的长度l 远大于所传输的电磁波的波远大于所传输的电磁波的波长长，或可比拟时，称之为长线或可比拟时，称之为长线（l/0.05)；反反之之,为短线；为短线；电长度：电长度：l/4.1 传输线方程和传输线的场分析方法传输线方程和传输线的场分析方法4.1.1 长线及分布参数等效电路长线及分布参数等效电路14当频率提高到微波波段时，这些分布效应不可忽当频率提高到微波波段时，这些分布效应不可忽略，所以微波传输线是一

11、种分布参数电路。略，所以微波传输线是一种分布参数电路。这导致传输线上的电压和电流是这导致传输线上的电压和电流是随时间和空间随时间和空间位位置而变化的二元函数。置而变化的二元函数。长线长线(Long Line)分布参数电路分布参数电路 考虑考虑分布参数分布参数效应效应 短线短线(Short Line)集总参数电路集总参数电路 忽略分布参数效应忽略分布参数效应 U,I等参数可以等参数可以集中在某点研究集中在某点研究U,I等参数不可以等参数不可以集中在某点研究集中在某点研究波动性波动性“路路”分析分析“场场”分析分析化场为路化场为路152 2 分布参数效应分布参数效应分布电感分布电感分布电容分布电容

12、 分布电阻分布电阻分布漏电导分布漏电导传输线传输线单位长度单位长度上的分布电阻为上的分布电阻为R、分布电导为、分布电导为G、分布电、分布电容为容为C、分布电感为、分布电感为L,其值与传输线的其值与传输线的形状形状、尺寸尺寸、导线的导线的材料材料、及、及所填充的介质所填充的介质的参数有关。的参数有关。若将传输线分成无数个微若将传输线分成无数个微元，可以认为每个微元内元，可以认为每个微元内的电压和电流是不变的。的电压和电流是不变的。就可以看成集总参数就可以看成集总参数16 传输线传输线分布参数分布参数双导线、同轴线的分布参数与材料及尺寸的关系双导线、同轴线的分布参数与材料及尺寸的关系17均匀传输线

13、：均匀传输线：参数分布均匀参数分布均匀 非均匀传输线非均匀传输线 无耗传输线无耗传输线(R0，G0)有耗传输线有耗传输线18则其各分布参数为：则其各分布参数为：例如：对于铜材料的同轴线（例如：对于铜材料的同轴线（a0.8cm，b2cm），），其所填充介质为其所填充介质为当当f=2GHz时：时：可忽略可忽略R和和G的影响的影响。低耗线低耗线19 设设在在时时刻刻t,位位置置z处处的的电电压压和和电电流流分分别别为为u(z,t)和和i(z,t),而而在在位位置置z+dz处处的的电电压压和和电电流流分分别别为为u(z+dz,t)和和i(z+dz,t)。4.1.2 传输线方程及其解传输线方程及其解 1

14、、均匀传输线方程、均匀传输线方程 20列两点间的电流差，电压差方程。列两点间的电流差，电压差方程。基尔霍夫定律基尔霍夫定律 两式联立两式联立,得得均匀传输线方程均匀传输线方程（电报方程）（电报方程）21单位长度串联阻抗单位长度串联阻抗单位长度并联导纳单位长度并联导纳2.均匀传输线方程的解均匀传输线方程的解（微分方程的通解加边界条件微分方程的通解加边界条件）对传输线方程做二次微分，可得：对传输线方程做二次微分，可得：传播常数传播常数衰减常数衰减常数相移常数相移常数22均匀传输线均匀传输线的波动方程的波动方程 解的物理含义：解的物理含义：传输线上电流、电压以波的形式传播；传输线上电流、电压以波的形

15、式传播；均匀传输线的电压和电流是入射波和反射波的叠加均匀传输线的电压和电流是入射波和反射波的叠加 入射波电压与电流同相，反射波电压与电流反相入射波电压与电流同相，反射波电压与电流反相特性阻抗特性阻抗23第一部分第一部分 表示由表示由信号源向负载方向信号源向负载方向传播的行波，称之为传播的行波，称之为入射波入射波。第二部分第二部分表示由表示由负载向信号源方向负载向信号源方向传播的行波，称之为传播的行波，称之为反射波反射波。入射波和反射波沿线的瞬时分布图入射波和反射波沿线的瞬时分布图 24由边界条件确定积分常数（由边界条件确定积分常数（注意坐标轴的选取注意坐标轴的选取）本章选取负载端为坐标起点本章

16、选取负载端为坐标起点（1 1）已知终端）已知终端 -常用形式常用形式 （2 2）已知始端）已知始端 （3 3）已知电源阻抗条件）已知电源阻抗条件 3.3.不同边界条件下的特解不同边界条件下的特解25(1)已知终端的电压已知终端的电压U2和电流和电流I2只要已知终端负载电压只要已知终端负载电压U2U2、电流电流I2I2及传输线特性参数及传输线特性参数、Z0,Z0,则传输线上则传输线上任意一点的任意一点的电压和电流就可得到。电压和电流就可得到。26双曲函数双曲函数形式形式向负载传播的入射波向负载传播的入射波向信号源传播的入射波向信号源传播的入射波若令若令 表示从终端算起的坐标，则有表示从终端算起的

17、坐标，则有 NOTE:含含 代表向负载传播的入射波代表向负载传播的入射波 含含 代表向信号源传播的反射波代表向信号源传播的反射波27对于无损耗线对于无损耗线则双曲函数形式可以表示为则双曲函数形式可以表示为28(2)(2)已知始端的电压已知始端的电压U1U1和电流和电流I1I1NOTE:NOTE:今后在没有特别声明下，电压和电流表达式今后在没有特别声明下，电压和电流表达式都是指都是指 终端电压终端电压U2U2和终端电流和终端电流I2I229 4.2 4.2 传输线的基本特性参数传输线的基本特性参数1)1)特性阻抗特性阻抗Z Z0 0 传输线上传输线上行波行波(入射波）入射波）的电压与电流之比。的

18、电压与电流之比。其倒数称为其倒数称为特性导纳特性导纳，用，用Y Y0 0来表示。来表示。Z0=特性阻抗的特性阻抗的一般表达式一般表达式为为v对于均匀无耗传输线对于均匀无耗传输线,R=G=0,R=G=0 本征阻抗本征阻抗结论：无损耗传输线的特性阻抗仅与传输线本身的结构结论：无损耗传输线的特性阻抗仅与传输线本身的结构和材料有关；有损耗线的特性阻抗还与工作频率有关和材料有关；有损耗线的特性阻抗还与工作频率有关30对对于于直直径径为为d d、间间距距为为D D的的平平行行双双导导线线传传输输线线,其其特特性性阻抗为阻抗为 对于内、外导体半径分别为对于内、外导体半径分别为a a、b b的无耗同轴线的无耗

19、同轴线,其特其特性阻抗为性阻抗为 常用的平行双线传输线的特性阻抗有常用的平行双线传输线的特性阻抗有250,400250,400和和600600三种。三种。常用的同轴线的特性阻抗常用的同轴线的特性阻抗50(50(有线电缆有线电缆)和和75(75(网线网线)两种。两种。对于低损耗线对于低损耗线31 2)2)传播常数传播常数 决定入射的、反射波的传播特性决定入射的、反射波的传播特性 传传播播常常数数 是是描描述述传传输输线线上上导导行行波波沿沿导导波波系系统统传传播播过过程程中中衰衰减和相移的参数。减和相移的参数。对于无耗传输线对于无耗传输线 a ：衰减常数，表示单位长度幅值的的衰减程度衰减常数，表

20、示单位长度幅值的的衰减程度：相移常数，表示单位长度相位的变化相移常数，表示单位长度相位的变化对于低损耗传输线对于低损耗传输线32 相速度相速度对于微波无耗传输线对于微波无耗传输线相波长：相波长：波在一个周期波在一个周期T T内等内等相位面沿传输线移动的距离。相位面沿传输线移动的距离。相速度和相波长相速度和相波长无损耗线：无损耗线：TEMTEM模的相速度等于电磁波的速度，相波长也是电磁波的波长。模的相速度等于电磁波的速度，相波长也是电磁波的波长。有损耗线：有损耗线：是频率的复杂函数，此时的相速与频率有关，有色散效应。是频率的复杂函数，此时的相速与频率有关，有色散效应。33对于双导线传输线对于双导

21、线传输线TEMTEM波波 1 1奈培（奈培（NPNP）=8.686=8.686分贝（分贝（dBdB）1 1分贝（分贝（dBdB）=0.115=0.115奈培（奈培（NPNP）描述衰减常数描述衰减常数 的两个单位：分贝和奈培的两个单位：分贝和奈培分贝：分贝：两个功率电平的比值两个功率电平的比值奈培：奈培：表示两点间表示两点间的相对电平的相对电平表示某点的表示某点的绝对电平绝对电平分贝毫瓦分贝毫瓦:分贝瓦分贝瓦:343)3)输入阻抗输入阻抗 均匀无耗传输线均匀无耗传输线 传输线上传输线上任一点任一点 向负载方向向负载方向看过看过去的输入阻抗等于该点去的输入阻抗等于该点总电压总电压和和总电流总电流之

22、比之比 为负载阻抗为负载阻抗传输线上距传输线上距终端终端z处的处的阻抗为阻抗为特性阻抗特性阻抗 3536说明：输入阻抗的等效作用说明：输入阻抗的等效作用重点讨论：两种特殊位置重点讨论：两种特殊位置阻抗的阻抗的周期性周期性阻抗的阻抗的变换性变换性4 4）反射系数）反射系数电压反射系数电压反射系数:距终端距终端 处的反射波电压与入射波电压之比处的反射波电压与入射波电压之比 (1)(1)反射系数的定义及表达式反射系数的定义及表达式反射波电压反射波电压入射波电压入射波电压终端入（反）终端入（反）射波电压射波电压终端入（反）终端入（反）射波电流射波电流37终端反射系数终端反射系数 无耗传输线上任一点反射

23、系数与终端反射系数的关系：无耗传输线上任一点反射系数与终端反射系数的关系：结论：结论：无耗传输线上任意点反射波与入射波虽然有相位差无耗传输线上任意点反射波与入射波虽然有相位差异，但振幅之比为常数异，但振幅之比为常数.38（2 2）输入阻抗与反射系数间的关系）输入阻抗与反射系数间的关系 （一一对应）（一一对应）将将z=0z=0代入上式得代入上式得负载阻负载阻抗与终端反射系数抗与终端反射系数的关系的关系 上述两式上述两式又可写成又可写成39无耗传输线上任意点反射系数模值相无耗传输线上任意点反射系数模值相同，同，所以负载决定无耗传输线上反射所以负载决定无耗传输线上反射波的振幅波的振幅按照终端负载的性

24、质，传输线有三种工作状态按照终端负载的性质，传输线有三种工作状态传输线上无反射波，只有入射波。传输线上无反射波，只有入射波。行波状态行波状态入射波和反射波振幅相同，只有相位差异。入射波和反射波振幅相同，只有相位差异。能量全部被反射回去。能量全部被反射回去。入射波能量部分被负载吸收部分反射。入射波能量部分被负载吸收部分反射。行驻波状态行驻波状态40驻波状态驻波状态(3)(3)驻波比（驻波比（VSWRVSWR）和行波系数）和行波系数 电压（或电流）电压（或电流）驻波比驻波比:传输线上电压（或电流）的最大值与最小值之比，即传输线上电压（或电流）的最大值与最小值之比，即 当传输线上入射波与反当传输线上

25、入射波与反射波同相迭加出时，合射波同相迭加出时，合成波现最大值；而反相成波现最大值；而反相迭加时出现最小值迭加时出现最小值 行波系数行波系数K K：与驻波比互为倒数与驻波比互为倒数 驻波比与反射系数驻波比与反射系数的关系式为：的关系式为：41 传输线上反射波的大小，决定了整条传输线的工作状态。传输线上反射波的大小，决定了整条传输线的工作状态。可用可用反射系数的模反射系数的模、驻波比驻波比和和行波系数行波系数三个参量来描述。三个参量来描述。反射系数模的变化范围为反射系数模的变化范围为驻波比的变化范围为驻波比的变化范围为 行波系数的变化范围为行波系数的变化范围为 传输线的工作状态一般分为三种：传输

26、线的工作状态一般分为三种：(1)(1)行波状态行波状态 （匹配状态）（匹配状态）(2)(2)行驻波状态行驻波状态 (3)(3)纯驻波状态纯驻波状态 425)5)传输功率传输功率43传输线上的状态由传输线的反射程度决定，我们对传传输线上的状态由传输线的反射程度决定，我们对传输线的分析，基本思想是通过把它等效成一个网络来输线的分析，基本思想是通过把它等效成一个网络来实现的，原因很简单：我们只对输入和输出感兴趣，实现的，原因很简单：我们只对输入和输出感兴趣，而表征一个信号出入与输出特征的重要指标就是它的而表征一个信号出入与输出特征的重要指标就是它的功率。瞬时功率功率。瞬时功率=U=U（Z Z）I*I

27、*（Z Z）主要由电阻产生，指电路上的损主要由电阻产生，指电路上的损耗功率耗功率 （热能，机械能，光能）（热能，机械能，光能）由电感电容产生，由电感电容产生，用于电路内电用于电路内电场与磁场的交换场与磁场的交换，并用来在电气，并用来在电气设备中建立和维持磁场的电功率。设备中建立和维持磁场的电功率。任一点的电压电流任一点的电压电流 ：任一点的传输功率：任一点的传输功率：P P+和和P P-分别代表通过分别代表通过z z处的入射波功率和反射波功率。处的入射波功率和反射波功率。为了简便起见，工程中一般在电压波腹点为了简便起见，工程中一般在电压波腹点(最大值点最大值点)或电压波谷点或电压波谷点(最小值

28、点最小值点)处计算传输功率，即处计算传输功率，即 在不发生击穿情况下，传输线允许传输的最大功率称为传在不发生击穿情况下，传输线允许传输的最大功率称为传输线的功率容量输线的功率容量 44当当Z ZL L=Z=Zc c或传输线为无限长时，工作于行波状态或传输线为无限长时，工作于行波状态v 且且Z Zl lZ Z0 0时，无反射时，无反射 负载匹配负载匹配负载匹配负载匹配4.3 4.3 无耗传输线无耗传输线的工作状态分析的工作状态分析4.3.14.3.1行波状态行波状态v 行波状态下电流和电压的瞬时值行波状态下电流和电压的瞬时值v 重要参量特性：重要参量特性：行波有三个特点行波有三个特点1 1 沿线

29、各点电压和电流的振幅不变沿线各点电压和电流的振幅不变2 2 电压和电流的相位随的增加连续滞后电压和电流的相位随的增加连续滞后3 3 沿线各点的输入阻抗均等于特性阻抗沿线各点的输入阻抗均等于特性阻抗当终端短路（当终端短路（Z ZL L=0=0）、开路）、开路(Z(ZL L=)或接纯电抗或接纯电抗(Z(ZL L=jX=jXL L)时，时，|=1,|=1,工作在纯驻波状态；工作在纯驻波状态；（1 1）终端短路）终端短路/短路线短路线4.3.2 4.3.2 纯驻波状态（纯驻波状态（standing wavestanding wave）终终端端短短路路线线中中的的纯纯驻驻波波状状态态48(4)(4)从终

30、端起隔从终端起隔/4阻抗性质就变换一次称为阻抗性质就变换一次称为/4阻抗变换性阻抗变换性每过每过/2/2阻抗就重复一次，称为阻抗就重复一次，称为/2/2阻抗周期特性阻抗周期特性49(1)(1)沿沿线线各各点点电电压压和和电电流流振振幅幅按按余余弦弦变变化化,电电压压和和电电流流相相位位差差 90,功率为无功功率功率为无功功率,只能存储能量而不能传输能量。只能存储能量而不能传输能量。(2)(2)在在z=n/2(n=0,1,2,)处处为为电电压压波波谷谷点点,在在z=(2n+1)/4(n=0,1,2,)处为处为电压波腹点电压波腹点。(3)(3)传输线上各点阻抗为纯电抗传输线上各点阻抗为纯电抗,在在

31、电压波谷点处电压波谷点处Z Zinin=0=0,相当于串联谐振相当于串联谐振,在在电压波腹点处电压波腹点处|Z|Zinin|,相当于并联谐振相当于并联谐振,在在0z/4内内,Z,Zinin=jX=jX相当于一个纯电感相当于一个纯电感,在在/4z/2内内,Zin=-jX相当于一个纯电容，相当于一个纯电容，终终端端开开路路和和终终端端电电抗抗状状态态都都可可以以由由外外接接一一定定长长度度的的短短路路线来实现。线来实现。终端开路等效为在终端加一终端开路等效为在终端加一长长/4 的短路线的短路线一一般般情情况况下下都都不不用用终终端端开开路路这这种种形形式式，而而是是采采用用延延长长的的终端短路线来

32、代替。终端短路线来代替。50（2 2）开路）开路 无耗终端无耗终端开路线开路线的驻波特性的驻波特性 51无耗终端无耗终端短路线短路线的驻波特性的驻波特性 52（3 3）纯电抗性负载）纯电抗性负载a)负载为纯感抗负载为纯感抗XL0 可用一段小于可用一段小于/4/4的短路线代替的短路线代替 可用一段小于可用一段小于/4/4的开路线代替的开路线代替b)负载为纯容抗负载为纯容抗XL 阻抗圆图阻抗圆图但实际工程中不再绘出反射系数圆但实际工程中不再绘出反射系数圆 每个电阻圆对应的每个电阻圆对应的r值值一般标注在电阻圆与实轴以及一般标注在电阻圆与实轴以及x 1电抗圆的交点处电抗圆的交点处 每个电抗圆对应的每

33、个电抗圆对应的x值值一般标注在电抗圆与一般标注在电抗圆与r=0或或r1的电阻圆的交点处的电阻圆的交点处71感性阻抗平面感性阻抗平面容性阻抗平面容性阻抗平面负载负载 信号信号源源信号源信号源 负载负载六个特点六个特点匹配点：匹配点：坐坐标为标为(0,0)，r=1、x=0、|=0、=1 短路点：短路点：坐标为坐标为(-1,0)，r=0、x=0、|=1、=、=180 开路点：开路点：坐标为坐标为(1,0),r=、x=、|=1、=、=01：圆图旋转周为圆图旋转周为/2，而非，而非722：圆图上有三个特殊的点圆图上有三个特殊的点 3：圆图上有三条特殊的线圆图上有三条特殊的线圆图上实轴是圆图上实轴是x=0

34、的轨迹，的轨迹，右半实轴右半实轴为电压波腹点的轨迹，为电压波腹点的轨迹，r即为驻波比的读数；即为驻波比的读数；左半实轴左半实轴为电压波谷点的轨迹，为电压波谷点的轨迹，r即为行波系数的读数即为行波系数的读数;最最外面的单位圆外面的单位圆为为r=0的纯电抗轨迹，反射系数的模值为的纯电抗轨迹，反射系数的模值为1。4：圆图上有二个特殊的面圆图上有二个特殊的面.实轴以上的半平面实轴以上的半平面（0/4）是感性阻抗的轨迹；是感性阻抗的轨迹；实轴以下的半平面实轴以下的半平面（/4/2）是容性阻抗的轨迹。是容性阻抗的轨迹。5：圆图上有二个旋转方向。圆图上有二个旋转方向。同一无耗传输线圆图上的点在等反射系数的圆

35、上。同一无耗传输线圆图上的点在等反射系数的圆上。点向电源方向移动点向电源方向移动时，在圆图上沿等反射系数圆时，在圆图上沿等反射系数圆顺时针顺时针旋转；旋转；点点向负载方向移动向负载方向移动时，在圆图上沿等反射系数圆时，在圆图上沿等反射系数圆逆时针逆时针旋转。旋转。736：圆图上任意点可以用：圆图上任意点可以用：r、x、|、四个参量表示。其四个参量表示。其中，中，r和和x为归一化值。为归一化值。4.5.3 4.5.3 史密斯圆图应用史密斯圆图应用例例4.3 已知已知 Z0=600 Zl=(360+j480)求求 2 2与与 1 1）归一化负载阻抗）归一化负载阻抗3 3）求反射系数相角）求反射系数

36、相角 2 2）求模）求模|1 1）归一化负载阻抗）归一化负载阻抗3 3）电压最小点）电压最小点 电压最大点电压最大点2 2）求点刻度）求点刻度 例例4.4已知已知 Z0=50，Zl=(32.5-j20)，求线上行驻波的求线上行驻波的Umax和和Umin的位置。的位置。76例例4.5已知已知Z0=300，Zl=(600-j180)，线长，线长l=2.3求输入阻抗。求输入阻抗。77（1）电压波腹及电压）电压波腹及电压 波谷处的阻抗；波谷处的阻抗；（2）终端负载阻抗；）终端负载阻抗；（3）靠近终端第一个）靠近终端第一个 Umax和和Umin的位置的位置.例例4.6已知同轴线已知同轴线 Z0=50，相

37、邻两电压波谷点之间的距，相邻两电压波谷点之间的距离为离为5 cm，终端电压反射系数，终端电压反射系数2=0.2ej50，求：，求：78例例4.74.7在一个特性阻抗在一个特性阻抗Z Z0 0=50=50的同轴测量线上，进行下列的同轴测量线上，进行下列两个步骤，确定负载阻抗两个步骤，确定负载阻抗Z Zl l。（1 1）在负载接以短路器，线上驻波比为无穷大，电压）在负载接以短路器，线上驻波比为无穷大，电压最小值为最小值为0 0；此时电压曲线最小点很尖锐，尖锐地定出；此时电压曲线最小点很尖锐，尖锐地定出最小点位置；在测量线的位置标尺上，读出相邻几个最小点位置；在测量线的位置标尺上，读出相邻几个电压最

38、小点电压最小点z z为为0.2cm0.2cm、5.2cm5.2cm、10.2cm10.2cm。（2 2）去掉短路片，接上未知负载，测得驻波系数）去掉短路片，接上未知负载，测得驻波系数=1.5=1.5。这时，电压最小点已不像前面那样尖锐。测得。这时，电压最小点已不像前面那样尖锐。测得第一个电压最小点距离负载第一个电压最小点距离负载zzmin1min1=1cm=1cm，求负载阻抗。，求负载阻抗。导纳是阻抗的倒数导纳是阻抗的倒数,故归一化导纳为故归一化导纳为 如果以单位圆圆心为轴以单位圆圆心为轴心，将复平面上的阻抗圆图心，将复平面上的阻抗圆图旋转旋转180180。，即可得到导纳圆，即可得到导纳圆图图

39、。4.5.2 导纳圆图导纳圆图7980例例4.84.8Z Z0 0=250=250，线长为，线长为4.84.8，Z Zl l=500-j150=500-j150，求输入导纳。求输入导纳。阻抗匹配的概念阻抗匹配的概念阻抗匹配的重要性阻抗匹配的重要性阻抗匹配的方法阻抗匹配的方法4.6阻抗匹配阻抗匹配一、阻抗匹配的概念一、阻抗匹配的概念 匹配是匹配是微波传输微波传输系统中的系统中的一个很重一个很重要的概念要的概念 阻抗匹配通常包含两个方面的含义：阻抗匹配通常包含两个方面的含义：v 一方面，一方面，如何才能使负载从信号源得到最大的功率，如何才能使负载从信号源得到最大的功率，v 另一方面，如何才能消除传

40、输线上的反射波另一方面，如何才能消除传输线上的反射波 三种阻抗匹配三种阻抗匹配 （对应传输线上三种不同的匹配状（对应传输线上三种不同的匹配状态）态）三种阻抗匹配状态三种阻抗匹配状态v 负载阻抗匹配负载阻抗匹配 Z ZL LZ Zc c“行波匹配行波匹配”v 源阻抗匹配源阻抗匹配 Z Zg gZ Zc c传输线和信号源是匹配的，这种信号源称为传输线和信号源是匹配的，这种信号源称为“匹配源匹配源”v 源共轭匹配源共轭匹配 Z ZininZ Zg g*信号源输出功率最大信号源输出功率最大上述三种匹配都涉及到各种阻抗之间的关系，因此统称为上述三种匹配都涉及到各种阻抗之间的关系，因此统称为阻阻抗匹配抗匹

41、配使微波电路或系统无反射、使系统处于行波或尽量接近行波使微波电路或系统无反射、使系统处于行波或尽量接近行波状态的技术措施状态的技术措施v匹配负载可以从匹配源输出功率中吸收最大功率；匹配负载可以从匹配源输出功率中吸收最大功率；v 传输线功率容量最大。传输线功率容量最大。二、阻抗匹配的重要性二、阻抗匹配的重要性信号源共轭匹配时，信号源可以输出最大功率信号源共轭匹配时，信号源可以输出最大功率 v 行波状态时信号源工作稳定行波状态时信号源工作稳定 尽量使传输系统处于或接近行波状态是很必要的尽量使传输系统处于或接近行波状态是很必要的v传输线中的功率损耗最小、传输效率最高；传输线中的功率损耗最小、传输效率

42、最高；为实现匹配一般在信号源和终端负载处分别加为实现匹配一般在信号源和终端负载处分别加 始端和终端匹配装置始端和终端匹配装置（一）信号源端的阻抗匹配（一）信号源端的阻抗匹配 一般采用去耦衰减器或隔离器以实现信号源端匹配一般采用去耦衰减器或隔离器以实现信号源端匹配（吸收反射波）（吸收反射波）三、阻抗匹配的方法三、阻抗匹配的方法从频率上划分从频率上划分:v窄带匹配窄带匹配v宽带匹配宽带匹配从实现手段上划分：从实现手段上划分：v/4阻抗变换器法阻抗变换器法v支节调配法支节调配法利用并联利用并联/串联电抗性元件进行匹配串联电抗性元件进行匹配（二）（二）终端负载的阻抗匹配方法终端负载的阻抗匹配方法要求：

43、要求：v 简单易行；频带宽；简单易行；频带宽；v匹配器可调，以适应不同负载；匹配器可调，以适应不同负载；v本身不能有功率损耗或附加损耗小，应由电抗元件构成；本身不能有功率损耗或附加损耗小，应由电抗元件构成；/4阻抗变换器法阻抗变换器法 原理：利用原理：利用/4传输线的阻抗变化作用传输线的阻抗变化作用(1)负载阻抗负载阻抗 ZLRL Z0 为纯电阻时为纯电阻时 v 为实现匹配，使为实现匹配，使ZinZ0由：由：在终端与主传输线（特性阻抗为在终端与主传输线（特性阻抗为Z0）之间串联一段长）之间串联一段长为为/4/特性阻抗为特性阻抗为Z01的传输线的传输线(2)负载阻抗负载阻抗 ZLRL+jXL法法

44、1：将将/4线接于主传输线中的电压波节点或波腹点处线接于主传输线中的电压波节点或波腹点处法法2：将将/4线仍接在终端，但在终端再并联长为线仍接在终端，但在终端再并联长为l 的的短路线短路线等等需先变换为实阻抗需先变换为实阻抗。(3)只能调配一个频率点，属于窄带阻抗匹配只能调配一个频率点，属于窄带阻抗匹配 欲扩展工作频宽，可采用多级欲扩展工作频宽，可采用多级/4/4阻抗阻抗调配器调配器例例:传输线传输线 Z075，终端接负载，终端接负载ZL(150j300)用用/4变换器进行匹配，求：接入位置变换器进行匹配，求：接入位置d及传输线及传输线Z01 解：解：(1)对应对应A点点，电长度为：，电长度为

45、：0.218(2)找波腹点找波腹点B或波节点或波节点C,(3)求所接求所接/4传输线的传输线的Z01(4)求接入位置求接入位置d 波腹处：波腹处：dmax(0.25-0.218)=0.032 波节处：波节处：dmin(0.50-0.218)=0.282电流流过导体时，导体会发热，表明导体本身有电流流过导体时，导体会发热，表明导体本身有电阻电阻由于两导体之间的介质有损耗，因而存在漏电流，表明由于两导体之间的介质有损耗，因而存在漏电流，表明导体之间有导体之间有电导电导当电流在导体上流动时，导体周围将产生电场，表明导当电流在导体上流动时，导体周围将产生电场，表明导体存在体存在电感电感导体之间的电压在周围会产生电场，表明导体之间具有导体之间的电压在周围会产生电场，表明导体之间具有电容电容所以这些量无处不在，传输线上任一处都会出现电压降，所以这些量无处不在，传输线上任一处都会出现电压降，电流分流。这就是均匀传输线的分布参数效应。电流分流。这就是均匀传输线的分布参数效应。返回90返回9192返回