传输线理论PPT讲稿.ppt
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1、传输线理论第1页,共62页,编辑于2022年,星期四3.1 3.1 传输线方程及其传输线方程及其时谐稳态解时谐稳态解第2页,共62页,编辑于2022年,星期四3.1.1 电压电流的引入及传输线上的参数分布电压电流的引入及传输线上的参数分布一、电压、电流的定义一、电压、电流的定义2 均匀平行双导线的任意横截面xyi1-iabl0la 第3页,共62页,编辑于2022年,星期四二、传输线的分布参数二、传输线的分布参数 以平行双导线为例:双导线间存在电压且均有电荷分布,因此双导线组成了一个电容。双导线在无限远处闭合形成回路,该回路电流产生的磁力线与该回路自身相交链,必有自感。双导线若非理想导体,则必
2、表现出电阻性质。双导线周围的媒质若非理想媒质,则双导线间存在漏电导。以上分析说明:平行双导线自身处处体现出电容、电感、电阻、电导的效应,也就是说这些电路参数(电容、电感、电阻、电导)是均匀分布在平行双导线自身上的,因此称为分布参数。其他传输线也都具有这种分布参数。一般给出单位长度的传输线上的分布参数,即:电容(F/m)、电感(H/m)、电阻(/m)、电导(S/m)。第4页,共62页,编辑于2022年,星期四3.1.2 传输线方程及其时谐稳态解传输线方程及其时谐稳态解 根据传输线等效电路和基尔霍夫定律,即可导出传输线上电压、电流所满足的方程。第5页,共62页,编辑于2022年,星期四当电压和电流
3、随时间t作简谐变化:传输线方程可化为:其中:是传输线上电压波和电流波的传播常数,它一般为复数,其中 为衰减常数,为相移常数。第6页,共62页,编辑于2022年,星期四上式是时谐情况下均匀传输线的电压和电流满足的波动方程,它的解的形式是:式中 和 是待定常数。是传输线特性阻抗,具有阻抗的量纲 第7页,共62页,编辑于2022年,星期四将代入波动方程的解,并写成瞬时表达式 由上式可知,传输线上的电压和电流以波的形式传播。依照电磁理论中的名词,我们把式中等号右边第一项表示的从源流向负载的波叫入射波,把第二项表示的从负载流向源的波称为反射波。衰减因子 、说明波的振幅随传播距离增加呈指数规律减小,这是传
4、输线上的分布电阻和分布漏电带来必然结果,这样的传输线称为有耗传输线。第8页,共62页,编辑于2022年,星期四常数A1和A2需根据电路的其他已知条件来确定。例如,已知传输线的终端电压U0和终端电流I0,要求出线上任意位置处电压和电流的表示式,由下图可知,设z=0处有 将它们代入电压与电流的表达式中,可分别得到第9页,共62页,编辑于2022年,星期四由此求得将A1和A2代入到式电压与电流的表达式,得 分别表示传输线上任意位置z处的入射波电压和反射波电压。负载处(z=0)的入射波电压和反射波电压分别是 第10页,共62页,编辑于2022年,星期四类似的,传输线上z处的电流I(z)则可表示成:式中
5、分别是传输线上z 处的入射波电流和反射波电流。而则分别是负载处的入射波电流和反射波电流。第11页,共62页,编辑于2022年,星期四3.1.33.1.3传输线的工作特性参数和工作状态参数传输线的工作特性参数和工作状态参数一传输线的工作特性参数一传输线的工作特性参数(1)特性阻抗 传输线的特性阻抗是传输线上任意点处的入射波电压与入射波电流之比,或反射波电压与反射波电流之比的负值,即 特性阻抗的一般表示式第12页,共62页,编辑于2022年,星期四对于无耗传输线,由于 =0、=0,其特性阻抗为在微波波段,构成传输线的导体材料都是良导体,传输线中填充的介质也是良介质,一般都有 ,因此工作在微波波段的
6、传输线的特性阻抗为传输线的特性阻抗与传输线的分布参数一样,取决于传输线自身的结构、尺寸、填充媒质的参数,与源和负载的情况没有关系。也就是说,特性阻抗只与传输线自身的特性有关。第13页,共62页,编辑于2022年,星期四(2)传播常数其实部 为衰减常数,虚部 是相移常数。对于无耗传输线,=0、=0,由上式可得对于在微波波段工作的传输线,一般都有 于是有第14页,共62页,编辑于2022年,星期四(3)相速度与波长传输线上的相速度表明电压波、电流波的等相位点的传播速度。无耗传输线中电压、电流波的相速度是 传输线中电压波、电流波的相位相差 的两个相邻等相位点的间距就是传输线中的波长 第15页,共62
7、页,编辑于2022年,星期四二传输线的工作状态参数二传输线的工作状态参数(1)电压反射系数传输线上任意一点处的反射波电压与入射波电压之比定义为该处的电压反射系数 对于无耗传输线,传输线上电压反射系数又可表示成 式中 第16页,共62页,编辑于2022年,星期四(2)输入阻抗 传输线上z处的电压与电流之比定义为从该处向负载方向看去的输入阻抗,记为 ,则有当 时有 。反射波电压 。这说明终端负载 的传输线上无反射波,这与传输线是无限长的情况等效,这种情况称为终端匹配状态,即终端与传输线实现了匹配。当 时,某一段给定长度l的传输线与其终端负载一起,可以被等效为一个阻抗,其阻抗值就等于该传输线输入端的
8、输入阻抗 。第17页,共62页,编辑于2022年,星期四除了输入阻抗之外,有时为计算方便起见,还常用到输入导纳的概念。输入导纳与输入阻抗互为倒数。式中,是传输线的特性导纳,是负载导纳(3)输入阻抗与反射系数的关系第18页,共62页,编辑于2022年,星期四无耗传输线上z处的输入阻抗与该处电压反射系数之间的关系为两边都除以 ,定义为传输线上z处的归一化输入阻抗第19页,共62页,编辑于2022年,星期四3.2 3.2 无耗传输线的工无耗传输线的工作状态作状态第20页,共62页,编辑于2022年,星期四3.2.1 3.2.1 无反射工作状态无反射工作状态若传输线上处处有 ,则传输线处于无反射工作状
9、态,只有从源向负载方向的入射行波,因此也称为行波工作状态。此时 ,传输线上电压、电流表示为电压、电流处处同相,其相位随z减小而连续滞后。电压、电流的振幅值处处相等。此时 ,即终端负载与传输线特性阻抗相匹配,所以无反射工作状态也称终端匹配状态。且传输线上任意点的输入阻抗均等于特性阻抗,即第21页,共62页,编辑于2022年,星期四3.2.2 3.2.2 全反射工作状态全反射工作状态 一传输线终端短路(短路线)一传输线终端短路(短路线)终端被理想导体短路的传输线称为短路线,此时得传输线上任意位置z处的电压和电流分别为 因为 和 同相,就可以把电压和电流的瞬时值表示为第22页,共62页,编辑于202
10、2年,星期四无耗短路线上电压、电流振幅分布及阻抗分布uiu,i|U|,|I|U|I|Zinzzz(a)(b)(c)(d)无耗短路线上电压、电流振幅分布及阻抗分布可见,电压、电流瞬时值沿传输线呈正弦分布,但它们的相位不随空间坐标z变化,只随时间变化,在相邻的两个零点之间,各点以相同相位随时间变化,零点两边则相位相反。由此可见,沿线电压、电流虽然是正弦波状分布,但均随时间作原地上下振动,不存在“随时间变化,等相位面向前推移的”行波特征,因此短路线上的电压、电流不是行波,而是停驻不动的波状分布,称为驻波。且传输线上没有行波,只有驻波,因此全反射工作状态又称为纯驻波工作状态。驻波是由传输线上的入射波与
11、反射波叠加形成的。第23页,共62页,编辑于2022年,星期四二传输线终端开路(开路线)二传输线终端开路(开路线)终端开路的传输线称为开路线,此时传输线呈纯驻波状态。传输线上任意位置z处的电压和电流分别为 开路线的输入阻抗为开路线的输入阻抗为纯电抗,因此开路传输线也不能传输能量,只能储存能量。第24页,共62页,编辑于2022年,星期四三传输线终端接纯电抗三传输线终端接纯电抗若传输线终端接纯电抗负载,此时 ,,传输线上处处 ,呈纯驻波状态。由前面的分析可知,短路线、开路线的输入阻抗都是电抗值在 、之间的纯电抗,所以纯电抗性负载可以用一定长度的短路线或开路线来代替,即可把传输线终端的纯电抗负载
12、换成输入阻抗 的一段短路线或开路线。当传输线终端接纯电感性负载 时,坐标原点从短路点向前移动的距离 当传输线终端接纯电容性负载 时,坐标原点从短路点向前移动的距离是第25页,共62页,编辑于2022年,星期四3.2.3 3.2.3 部分反射工作状态部分反射工作状态 若传输线终端接有复阻抗 ,此时从信号源传向负载的能量有一部分被负载所吸收,另一部分则被反射回去,这时传输线处于部分反射工作状态,在传输线上既有行波成分,又有驻波成分,又称为行驻波状态。终端电压反射系数为 式中第26页,共62页,编辑于2022年,星期四从而 传输线终端接任意复阻抗时电压、电流振幅分布曲线ZcZ0=R0+jX0Zmax
13、zz00电压和电流的幅值仍随坐标z周期变化,但不再按正弦规律变化,而是按左图所示的非正弦规律变化。第27页,共62页,编辑于2022年,星期四一电压、电流的波腹点和波节点一电压、电流的波腹点和波节点当 (n=0,1,2,3,)时,电压振幅取到最大值、电流振幅取到最小值,分别为电压波腹点、电流波节点,其坐标值为当 (n=0,1,2,3,)时,电压振幅取到最小值、电流振幅取到最大值,分别为电压波腹点、电流波节点,其坐标值为第28页,共62页,编辑于2022年,星期四二驻波系数二驻波系数为了描述传输线上驻波的大小,可引入驻波系数 ,又称为电压驻波比,定义为传输线上电压的最大振幅值与电压的最小振幅值之
14、比。即对于均匀无耗传输线,可见,在均匀无耗传输线上,驻波比处处相等。由于 的变化范围是 ,显然 的变化范围是 ,对应 的无反射工作状态,对应 的全反射工作状态。第29页,共62页,编辑于2022年,星期四由上式还可得到 除了驻波比之外,有时还用行波系数K K来表示传输线上反射波的强弱程度,其定义为行波系数是驻波系数的倒数,即 第30页,共62页,编辑于2022年,星期四三三.输入阻抗分布规律输入阻抗分布规律当传输线终端接有任意负载阻抗 时,其输入阻抗可表示成其中根据以上公式,绘出传输线终端负载为感性阻抗时的输入阻抗分布曲线第31页,共62页,编辑于2022年,星期四Z0=R0+jX0Zc/4/
15、4/4/4|Zin|RinXin0 z传输线终端接感性阻抗时传输线的输入阻抗分布曲线第32页,共62页,编辑于2022年,星期四由图中曲线可知输入阻抗有如下分布特点 (1)输入阻抗的数值沿传输线周期变化,周期为 。即传输线上间距为 整数倍的两点处的输入阻抗相同。(2)在电压波腹点(即电压波节点)处,即 处,有输入阻抗为纯电阻,且达到最大值,电压波节点(即电流波腹点)处,即 输入阻抗为纯电阻,且达到最小值。第33页,共62页,编辑于2022年,星期四 (2)每隔 ,阻抗的性质变换一次,容性阻抗变成感性阻抗,感性阻抗变成容性阻抗,即长度为 奇数倍的传输线具有阻抗变换功能。若终端负载 为纯电阻,则长
16、度为 奇数倍的传输线的输入阻抗也是纯电阻,因此长度为 奇数倍的传输线可以作为电阻变换器,它可将大于 的纯电阻变换为小于 的纯电阻,也可将小于 的纯电阻变换为大于 的纯电阻。第34页,共62页,编辑于2022年,星期四3.2.4 3.2.4 传输功率传输功率经过传输线上任意一点z处的平均功率定义为处于部分反射工作状态的传输线所传输的功率为 该式说明,在无耗传输线上,经过任意观察点z处的平均功率都等于观察点处入射波功率与反射波功率之差。经过适当推导,上式还可表示成由此可见,当传输线所能承受的电压或电流一定时,驻波比越小,所能传输的功率也越大。第35页,共62页,编辑于2022年,星期四3.3 3.
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