北京邮电大学 李秀萍 微波课件2013-1

1、10/3/2013 1 微波工程基础微波工程基础 李秀萍李秀萍 教授教授 办公室：明光楼办公室：明光楼816, tel: 62282900 email: 10/3/2013 2 outline 绪论 传输线理论 课件邮寄地址： 密码：123engineering 10/3/2013 3 heinrich hertz (1831-1879) (1857-1894) (1831-1879) james c. maxwell (1831-1879) heaviside，oliver (18501925 ) 建立了麦克斯韦方程组建立了麦克斯韦方程组 创立了经典电动力学创立了经典电动力学 预言了电磁波的

2、存在预言了电磁波的存在 提出了光的电磁说。提出了光的电磁说。 消除了数学复消除了数学复杂性杂性 建立了系统的建立了系统的矢量符号矢量符号 10/3/2013 4 无线通信历史总结无线通信历史总结 19001900 19101910 19201920 19301930 19401940 19501950 19601960 19701970 19801980 19901990 20002000 电话电话 广播无线电广播无线电 雷达雷达 卫星通信卫星通信 卫星遥感卫星遥感 手机手机 dbsdbs 商用商用gpsgps auto&highwayauto&highway 个人通信系统个人

3、通信系统 卫星个人通信系统卫星个人通信系统 单位芯片上集成的晶体管数量单位芯片上集成的晶体管数量 将每年翻一番将每年翻一番 全面发展全面发展 广泛应用广泛应用 固体器件、固体集成电路固体器件、固体集成电路 和固体平面电路和固体平面电路, ,小型化小型化 2 2年年 19651965：30;197830;1978：6500065000 19891989：140140万万 ;25mhz (i486);25mhz (i486) 20022002：55005500万万; 3.06ghz; 3.06ghz 60ghz wireless communication scientists from sing

4、apores nanyang technological university (ntu)s virtus ic design centre of excellence have announced a new microchip called virtus (named after the design center) that promises up to 2gbps wireless data transfers in mobile devices. this will theoretically allow users to transfer 1gb worth of data in

5、under 5s 10/3/2013 6 看不见的微波影响全世界看不见的微波影响全世界(1)(1) 1. 1. 微波以及发展微波以及发展 频率很高频率很高( (300m300ghz 300m300ghz ，波长：，波长：1m1mm1m1mm) ) 电路理论，微波传输线理论电路理论，微波传输线理论 场理论场理论 空间中每一点的完整描述空间中每一点的完整描述 电路理论电路理论 功率，阻抗，电压和电流等功率，阻抗，电压和电流等 看不见的微波影响全世界看不见的微波影响全世界(2)(2) 1 1 2 2 z z 微波网络理论微波网络理论 传输线理论传输线理论 smithsmith圆图，匹配圆图，匹配 实

6、际应用：矩形波导，圆波导，同轴线，微带线，谐振腔，实际应用：矩形波导，圆波导，同轴线，微带线，谐振腔， 功分器，耦合器，滤波器功分器，耦合器，滤波器 看不见的微波影响全世界看不见的微波影响全世界(3)(3) 2. 微波的特点与应用 天线 频率高 带宽大，通信容量高 对元器件有特殊要求 遥感，医学治疗，治疗和加热方法 wlan，rfid，uwb 3.研究内容(偏重“工程性”) 微波理论、器件 微波试验、仪器 10/3/2013 9 10/3/2013 10 波段名称波段名称 波长范围波长范围 频率范围频率范围 频段名称频段名称 超短波超短波 10m1m10m1m 30m300mhz30m300m

7、hz (vhf)(vhf) 分米波分米波 1m10cm1m10cm 300m3ghz300m3ghz (uhf)(uhf) 厘米波厘米波 10cm1cm10cm1cm 3g30ghz3g30ghz (shf)(shf) 毫米波毫米波 1cm1mm1cm1mm 30g30g- -300ghz300ghz (ehf)(ehf) 亚毫米波亚毫米波 1mm0.1mm1mm0.1mm 超极高频超极高频 微波波段的划分微波波段的划分 10/3/2013 11 微波波段中的一些微波波段中的一些“特殊特殊”子波段子波段 l l波段波段( (bandband) )： 1g2ghz1g2ghz s s波段：波段：

8、 1010厘米波段厘米波段 (24ghz)(24ghz) c c波段：波段： 5 5厘米波段厘米波段 (48ghz)(48ghz) x x波段：波段： (8(8- -12.4ghz)12.4ghz) kuku波段：波段： 2 2厘米波段厘米波段 (12.418ghz)(12.418ghz) k k波段波段: (1826.5ghz): (1826.5ghz) kaka波段：波段： 8 8毫米波段毫米波段 (26.540ghz)(26.540ghz) 10/3/2013 12 课程内容安排课程内容安排 课时课时(小时小时) 内容内容 章节章节/ /备注备注 1 绪论绪论 微波与微波技术微波与微波技

9、术 第一章第一章 1414 传输线理论传输线理论( (传输线方程传输线方程) ) 电报方程以及求解电报方程以及求解 端接任意负载时传输线的特性；端接任意负载时传输线的特性； 第三章，课程重点第三章，课程重点 史密斯圆图史密斯圆图及其使用及其使用 阻抗圆图构成及工程阻抗圆图构成及工程 阻抗圆图应用实例阻抗圆图应用实例 第四章，课程重点第四章，课程重点 10 阻抗匹配：单枝节，双枝节阻抗匹配：单枝节，双枝节；阻抗；阻抗变换：小反射理论；匹配变换器变换：小反射理论；匹配变换器 第四章第四章，课程重点，课程重点 10 微波网络理论微波网络理论 微波网络电路参量微波网络电路参量 微波网络波参量微波网络波

10、参量 二端口网络的工作特性与网络连接二端口网络的工作特性与网络连接 信号流图，三端口和四端口网络；信号流图，三端口和四端口网络； 第五章第五章，课程重点，课程重点 9 矩形波导简介，圆波导、同轴线以矩形波导简介，圆波导、同轴线以及微带传输线，微波谐振器及微带传输线，微波谐振器 第六章第六章 4 复习复习+ +期末考试期末考试 10/3/2013 13 学习学习：预习、听讲、笔记、复习、作业：预习、听讲、笔记、复习、作业 教材、参考书教材、参考书 微波技术基础微波技术基础 电子工业出版社电子工业出版社 20132013 , , 密码：密码：engineeringengineering david

11、 m.pozar david m.pozar “microwave engineeringmicrowave engineering” 电磁场与电磁波电磁场与电磁波 闫润卿等闫润卿等 微波技术基础微波技术基础第第2 2版版 北京理工大学北京理工大学 李秀萍李秀萍 射频与微波工程实践导论射频与微波工程实践导论电子工业出电子工业出版社，版社，2009.12009.1 强调强调“概念概念”和和 “理解理解” 基本概念基本概念 基本方法：场与路基本方法：场与路 学习注意事项学习注意事项 outline 传输线理论传输线理论 长线理论长线理论 传输线的等效电路传输线的等效电路 电报方程电报方程 电报方程

12、求解电报方程求解 5个特征参数个特征参数 端接负载的无耗传输线端接负载的无耗传输线 10/3/2013 14 10/3/2013 15 传输线理论传输线理论 10/3/2013 16 传输线定义传输线定义 什么是什么是“传输线传输线”： 微波传输线是传输微波能量和微波传输线是传输微波能量和信息、可用来构成各种微波元件信息、可用来构成各种微波元件的电磁装置的电磁装置 10/3/2013 17 传输线的分类传输线的分类 按照传导的模式进行分类按照传导的模式进行分类 (1)tem(1)tem波传输线：双导线、同轴线、微带线波传输线：双导线、同轴线、微带线. . ( (双导体双导体) ) xyzab0

13、(2)te/tm(2)te/tm波传输线：波传输线：“金属波导金属波导” .( .(单导体单导体) ) (3)(3)表面波传输线：表面波传输线：“介质波导介质波导”( (如：光纤如：光纤) ) 10/3/2013 18 长线理论长线理论( (一一) ) 电路理论和传输线理论差别：电尺寸电路理论和传输线理论差别：电尺寸 (1)(1)直流信号直流信号: :频率为零，波长频率为零，波长“无限长无限长”“直流分析直流分析” “长长”/ /“短短”的界定：的界定： l(2)(2)低频信号低频信号: :如交流如交流50hz50hz，波长在，波长在kmkm量级量级“短线短线” (3)(3)微波频段微波频段:

14、 :传输线长度和波长可以相比拟传输线长度和波长可以相比拟 短线长线z10/3/2013 19 长线理论长线理论( (二二) ) 电路理论和传输线理论的区别电路理论和传输线理论的区别 电尺寸和波长电尺寸和波长 集总参数集总参数 分布参数分布参数 “导体的非理想导体的非理想，趋肤效应趋肤效应”“分分布电阻布电阻”r “电流电流”产生磁场产生磁场“分布电感分布电感”l 导体导体间间电压电压“分布电容分布电容”c 导体导体间间非理想介质非理想介质“漏电流漏电流”分布分布“并联电导并联电导”g 信号的电流密度沿导体横界面的径向自外而内呈指数下降。当信号幅度降低到导体表面处信号幅度值的1/e或36.8%时

15、的径向临界深度叫趋肤深度或渗透深度，表示为： 求铜和银作为传导媒质，工作频率为1ghz时的趋肤深度 铜=5.8107s/m 2.1um 银=6.17107s/m 2um 10/3/2013 20 1sf10/3/2013 21 对圆导线，交流阻抗对圆导线，交流阻抗racrac由导线直径为由导线直径为d d且厚度且厚度等于趋肤深度等于趋肤深度ss的空心导线的横截面部分决定的空心导线的横截面部分决定 该导线的直流阻抗仅为该导线的直流阻抗仅为0.32810.3281/um/um，但是在，但是在1ghz1ghz它的阻抗为它的阻抗为10.510.5/mm /mm ， 大出大出3232倍多倍多 acslr

16、ddc2(4)lrdac6dc(0.010in. 0.0254m in.)3244(2 10 m)srdrd d0.254mm f=1ghz0.254mm f=1ghz alr d d 10/3/2013 22 z zlsv0 0z zdzdzz z电报方程电报方程(一一) 入手：入手： (1)(1)dzzdzz时，时，“集总参数集总参数” (2) (2) “路路”的分析方法的分析方法 i i+di 传输线理论传输线理论“长线理论长线理论”, ,场分析和基本电路理论之间的桥梁场分析和基本电路理论之间的桥梁 10/3/2013 23 电报方程电报方程(二二) r: /m l：h/m g：s/m c：f/m z zlsv0 0z zdzdzz zi(z,t) + + - - + + - - i(z+dz,t) dzdza b c d r.dz l.dz g.dz c.dz v(z,t) v(z+dz,t) ( , )i z ttl dz(, )v z dz ttc dz10/3/2013 24 电报方程电报方程(三三) ( , )(, )( , )() ( , )(, )0( , )()(, )(, )0i z ttv z dz ttv z tr dzi z tl dzv zdz