第三章微波传输线

1、第三章 微波传输线微波技术与天线微波技术与天线电子科技大学电子科技大学电子工程学院电子工程学院8:06第三章第三章 微波传输线微波传输线 导波系统中的电磁波按纵向场分量的有无，可分为导波系统中的电磁波按纵向场分量的有无，可分为以下三种波型以下三种波型( (或模或模) )： (1) (1) 横磁波横磁波(TM(TM波波) )，又称电波，又称电波(E(E波波) )： (2) (2) 横电波横电波(TE(TE波波) )，又称磁波，又称磁波(H(H波波) )： (3) (3) 横电磁波横电磁波(TEM(TEM波波) )： HEzz00,EHzz00,EHzz00, 横电磁波只存在于多导体系统中；横磁波

2、和横电波横电磁波只存在于多导体系统中；横磁波和横电波一般存在于单导体系统中。一般存在于单导体系统中。 第三章 微波传输线微波技术与天线微波技术与天线电子科技大学电子科技大学电子工程学院电子工程学院8:06 3-1 平行双线与同轴线平行双线与同轴线均为多导体导波系统，其平行双线与同轴线均为多导体导波系统，其传播主模为传播主模为TEMTEM模模 3.1.1 3.1.1 平行双线传输线平行双线传输线 一、结构一、结构 D02R二、特性参数二、特性参数 1 1、特性阻抗、特性阻抗 单位长度分布电感：单位长度分布电感： 0000lnlnRDRRDL单位长度分布电感：单位长度分布电感： 0000lnlnR

3、DRRDC第三章 微波传输线微波技术与天线微波技术与天线电子科技大学电子科技大学电子工程学院电子工程学院8:06则平行双线特性阻抗：则平行双线特性阻抗： 000000ln1ln1RDRRDCLZ当平行双线周围介质为空气时：当平行双线周围介质为空气时： 000ln120ln120RDRDZ 即：平行双线的特性阻抗与双线间距及导线半径有关。即：平行双线的特性阻抗与双线间距及导线半径有关。一般一般 600400:0Z2 2、传播相速、传播相速假设平行双线损耗极小可忽略不计，则传播常数假设平行双线损耗极小可忽略不计，则传播常数00CLjj001CLvp1为双线周围介质参数为双线周围介质参数,第三章 微

4、波传输线微波技术与天线微波技术与天线电子科技大学电子科技大学电子工程学院电子工程学院8:063.1.2 3.1.2 同轴线同轴线 一、结构一、结构 l 由内、由内、 外同轴的两导体柱构成外同轴的两导体柱构成l 内外导体间填充介质内外导体间填充介质l 包括硬、软两种结构包括硬、软两种结构l TEMTEM模模传输线传输线二、特性参数二、特性参数1 1、特性阻抗、特性阻抗 单位长度分布电感：单位长度分布电感： abLln20单位长度分布电感：单位长度分布电感： abCln20abCLZrrln60000第三章 微波传输线微波技术与天线微波技术与天线电子科技大学电子科技大学电子工程学院电子工程学院8:

5、06衰减最小时的特性阻抗讨论衰减最小时的特性阻抗讨论002ZR为内外导体尺寸比值的函数。要使衰减最小，则要求为内外导体尺寸比值的函数。要使衰减最小，则要求)(0abkk6 . 3 k 即当内外导体尺寸比值为即当内外导体尺寸比值为3.6时，同轴线衰减最小，此时时，同轴线衰减最小，此时6 . 3ln600rrZ 工程上常用同轴线特性阻抗：工程上常用同轴线特性阻抗：5050（填充聚苯乙烯）和（填充聚苯乙烯）和75 75 （无填充材料）（无填充材料） 同轴线的损耗由同轴线的损耗由导体损耗导体损耗和和介质损耗介质损耗引起（导体损耗远大于介引起（导体损耗远大于介质损耗）。可以推得，导体引起的衰减系数为：质

6、损耗）。可以推得，导体引起的衰减系数为：第三章 微波传输线微波技术与天线微波技术与天线电子科技大学电子科技大学电子工程学院电子工程学院8:062 2、传播相速、传播相速假设同轴线损耗极小可忽略不计，其相速假设同轴线损耗极小可忽略不计，其相速001CLvp1为填充介质参数为填充介质参数,第三章 微波传输线微波技术与天线微波技术与天线电子科技大学电子科技大学电子工程学院电子工程学院8:06 3-2 微带传输线一、结构一、结构 l 平面结构平面结构, , 可实现微波电路的集成化可实现微波电路的集成化l 体积小、重量轻、体积小、重量轻、 可靠性高、性能优越、一致性好、可靠性高、性能优越、一致性好、 成

7、本低成本低第三章 微波传输线微波技术与天线微波技术与天线电子科技大学电子科技大学电子工程学院电子工程学院8:06二、微带线传输主模二、微带线传输主模 微带线可视作由双导体系统演化而来。但由于介质的存在微带线可视作由双导体系统演化而来。但由于介质的存在, , 则则微带线所传输的波已非标准的微带线所传输的波已非标准的TEMTEM波波, , 而必然存在纵向分量而必然存在纵向分量EzEz和和HzHz。 当频率不很高时当频率不很高时, , 由于微带线基片厚度由于微带线基片厚度h h远小于微带波长远小于微带波长, , 此时此时纵向分量很纵向分量很小小, , 其场结构与其场结构与TEMTEM模相似模相似,

8、, 因此一般称之为准因此一般称之为准TEMTEM模。模。 故故微带线传输主模：准微带线传输主模：准TEMTEM模模三、微带线传输特性三、微带线传输特性 由传输线理论，如忽略由传输线理论，如忽略微带传输线微带传输线损耗，损耗， 则有则有1 1、特性阻抗、特性阻抗 cvCLZp1000001CLvp L L0 0和和C C0 0分别为微带线单位长分布电感和长分布电容。分别为微带线单位长分布电感和长分布电容。第三章 微波传输线微波技术与天线微波技术与天线电子科技大学电子科技大学电子工程学院电子工程学院8:062 2、微带线等效介电常数、微带线等效介电常数 0 r空气填充微带线空气填充微带线全介质填充

9、微带线全介质填充微带线很明显，实际微带线（部分填充）介电常数介于二者之间。很明显，实际微带线（部分填充）介电常数介于二者之间。 设空气填充微带线单位长度分布电容为设空气填充微带线单位长度分布电容为C C0 0, , 介质填充微带介质填充微带线线单位长度单位长度分布电容为分布电容为C C1 1, , 则则001LCcvp111LCcvrp空气微带线传播相速：空气微带线传播相速：介质微带线传播相速：介质微带线传播相速：第三章 微波传输线微波技术与天线微波技术与天线电子科技大学电子科技大学电子工程学院电子工程学院8:06引入微带线等效介电常数引入微带线等效介电常数c01210CCvvppc设空气微带

10、线特性阻抗为设空气微带线特性阻抗为 ，则实际微带线特性阻抗为，则实际微带线特性阻抗为00ZcrZZ000 只要求得空气微带线的特性阻抗只要求得空气微带线的特性阻抗 及有效介电常数及有效介电常数 , , 就就可求得介质微带线的特性阻抗。可求得介质微带线的特性阻抗。c00Z第三章 微波传输线微波技术与天线微波技术与天线电子科技大学电子科技大学电子工程学院电子工程学院8:06工程上常用的一组实用经验公式工程上常用的一组实用经验公式: : (1) (1) 导带厚度为零时导带厚度为零时) 14()48ln(952.59hwhwwh) 1()121 (44. 042. 2904.1192hwwhwhhw0

11、0Z21)121 (2121whrrew w：导带宽度：导带宽度h h：基片厚度：基片厚度(2) (2) 导带厚度不为零时导带厚度不为零时21)2ln1 (hwthhthwc21)4ln1 (hwtwhthwchwc仍采用上式计算，但对微带线形状比参数要进行修正。仍采用上式计算，但对微带线形状比参数要进行修正。第三章 微波传输线微波技术与天线微波技术与天线电子科技大学电子科技大学电子工程学院电子工程学院8:063 3、微带线波导波长、微带线波导波长0grcg 微带线的波导波长与有效介电常数微带线的波导波长与有效介电常数 有关有关, , 即与微带线结构有即与微带线结构有关。对同一工作频率关。对同

12、一工作频率, , 不同的微带线有不同的波导波长。不同的微带线有不同的波导波长。c4 4、微带线衰减常数、微带线衰减常数 微带线是半开放结构微带线是半开放结构, , 除有除有导体损耗导体损耗和和介质损耗介质损耗外外, , 还还有一定的有一定的辐射损耗辐射损耗。 1 1）选择表面电阻率很小的导体材料（）选择表面电阻率很小的导体材料（如金、如金、 银、银、 铜铜）；）； 2 2）提高微带线加工工艺（）提高微带线加工工艺（增加导带厚度到为增加导带厚度到为 58 倍的趋肤深度，倍的趋肤深度，尽量降低导体粗糙度到在微米量级以下尽量降低导体粗糙度到在微米量级以下）。）。a a、降低导体的损耗的措施降低导体的

13、损耗的措施第三章 微波传输线微波技术与天线微波技术与天线电子科技大学电子科技大学电子工程学院电子工程学院8:06 选用介电常数较大的选用介电常数较大的基片基片，并使导带宽度，并使导带宽度W W大于介质厚度大于介质厚度h h（频率较低时，电磁场被限制在微带线附近，辐射损耗小频率较低时，电磁场被限制在微带线附近，辐射损耗小）。）。b b、减小辐射损耗的措施、减小辐射损耗的措施 一般情况下一般情况下, , 微带线介质衰减远小于导体衰减微带线介质衰减远小于导体衰减, , 可忽略。可忽略。c c、介质损耗、介质损耗5 5、微带线色散效应、微带线色散效应 当工作频率较高时（当工作频率较高时（5GHz),

14、5GHz), 微带线中由微带线中由TETE和和TMTM模组成的模组成的高次模使特性阻抗和相速随着频率变化而变化高次模使特性阻抗和相速随着频率变化而变化, , 从而具有色散从而具有色散特性。特性。第三章 微波传输线微波技术与天线微波技术与天线电子科技大学电子科技大学电子工程学院电子工程学院8:06 四、微带线的尺寸设计考虑四、微带线的尺寸设计考虑 当工作频率提高后，微带线中除了传输准当工作频率提高后，微带线中除了传输准TEMTEM模以外，模以外，还会出现高次模。还会出现高次模。 当微带线的尺寸当微带线的尺寸w w和和h h给定时，最短工作波长只要同时满给定时，最短工作波长只要同时满足足minmi

15、nmin2241whhrrr 就可保证微带线中主要传输就可保证微带线中主要传输TEMTEM模。模。 限制限制TE高次模高次模限制限制TM高次模高次模限制表面波高次模限制表面波高次模第三章 微波传输线微波技术与天线微波技术与天线电子科技大学电子科技大学电子工程学院电子工程学院8:063-3 矩形波导 l 矩形波导是横截面为矩形的空心矩形波导是横截面为矩形的空心金属管金属管l 可避免外界干扰和辐射损耗可避免外界干扰和辐射损耗l 导体损耗低导体损耗低l 功率容量大功率容量大一、结构一、结构 二、矩形波导中传输波型及其场分量二、矩形波导中传输波型及其场分量 由于矩形波导为单导体导波系统，由于矩形波导为

16、单导体导波系统，不能传输不能传输TEM波波，只只能传输能传输TE波或波或TM波波。 1、TE波波(Ez = 0) 由由纵向场法纵向场法，可求得矩形波导内，可求得矩形波导内TE波电磁场各分量表波电磁场各分量表示式为：示式为：第三章 微波传输线微波技术与天线微波技术与天线电子科技大学电子科技大学电子工程学院电子工程学院8:06 0 coscos sincos cossin cossin sincos 02 0 0 0 0zztjczztjyztjxztjyztjxEeybnxamUkjHeybnxambnUHeybnxamamUHeybnxamamUEeybnxambnUE 说明：说明： m和和n

17、分别代表场强沿分别代表场强沿x轴和轴和y轴方向分布的半波数。一组轴方向分布的半波数。一组m, n值代表一种横电波波型。值代表一种横电波波型。 矩形波导存在矩形波导存在 等波型，但不存在等波型，但不存在 波形波形00TETEmn及00TE第三章 微波传输线微波技术与天线微波技术与天线电子科技大学电子科技大学电子工程学院电子工程学院8:062、TM波波(Hz = 0)EUmamaxnby eEUnbmaxnby eHUnbmaxnby eHxjtzyjtzxjtzy000cossinsincossincos Umamaxnby eEjkUmaxnby eHjtzzcjtzz0200cossinsi

18、nsin m和和n分别代表场强沿分别代表场强沿x轴和轴和y轴方向分布的半波数。一组轴方向分布的半波数。一组m, n值代表一种横磁波波型，记作值代表一种横磁波波型，记作 。 矩形波导矩形波导 不存在不存在 等波型等波型TMmnTMTMTM000、及nm0第三章 微波传输线微波技术与天线微波技术与天线电子科技大学电子科技大学电子工程学院电子工程学院8:06三、矩形波导中电磁波型的传输特性三、矩形波导中电磁波型的传输特性1 1、传播常数、传播常数由矩形波导场分布表达式，有由矩形波导场分布表达式，有22222mncmnkbnamk式中：式中： 为对应模式的截止波数；为对应模式的截止波数；cmnkk为工

19、作频率自由空间波数；为工作频率自由空间波数；mn为对应模式的传播常数；为对应模式的传播常数；22cmnmnk由传播常数概念，可知：由传播常数概念，可知：000mnmnmn对应模式为形波对应模式为形波 传播传播对应模式迅速衰减对应模式迅速衰减 截止截止传播与截止临界状态传播与截止临界状态第三章 微波传输线微波技术与天线微波技术与天线电子科技大学电子科技大学电子工程学院电子工程学院8:06截止频率：导波处于临界状态时对应的波长截止频率：导波处于临界状态时对应的波长 当且仅当工作频率大于截止频率（工作波长小于截止波长当且仅当工作频率大于截止频率（工作波长小于截止波长时），该模式的电磁波方可在矩形波导

20、内传播时），该模式的电磁波方可在矩形波导内传播高通特性高通特性2 2、截止频率与截止波长、截止频率与截止波长022cmncmnmnk22cmncmncmnkf2221bnam截止波长：工作频率等于截止频率的电磁波无界空间波长截止波长：工作频率等于截止频率的电磁波无界空间波长cmncmncmnffv1222bnam第三章 微波传输线微波技术与天线微波技术与天线电子科技大学电子科技大学电子工程学院电子工程学院8:06 当波导尺寸当波导尺寸a a和和b b给定时，将不同给定时，将不同m m和和n n值代入，即可得到不值代入，即可得到不同波型的截止波长。同波型的截止波长。BJ-100型波导不同波型截止

21、波长的分布图型波导不同波型截止波长的分布图（a=22.86mm, b=10.16mm) 从图中可以看出：从图中可以看出： 1 1、TETE1010模的截止波长最长模的截止波长最长主模主模 2 2、存在某些不同模式具有相同截止波长的情况、存在某些不同模式具有相同截止波长的情况简并模式简并模式截止区截止区单模区单模区多模区多模区第三章 微波传输线微波技术与天线微波技术与天线电子科技大学电子科技大学电子工程学院电子工程学院8:063 3、相速与波导波长、相速与波导波长22cmnmnk2211ccmnkkkk2111mncmnmnpv201mncv波导波长波导波长201mncpmnmnpfvfv201

22、mnc式中：式中： 为无界空间中的相速为无界空间中的相速0v0为无界空间中的波长为无界空间中的波长第三章 微波传输线微波技术与天线微波技术与天线电子科技大学电子科技大学电子工程学院电子工程学院8:06（1 1）矩形波导工作主模为矩形波导工作主模为TETE1010模模，因为，因为TETE1010模可实现单模传模可实现单模传输输（2 2）当工作频率一定时传输）当工作频率一定时传输TETE1010模的波导模的波导尺寸最小尺寸最小（3 3）若波导尺寸一定，则实现单模传输的）若波导尺寸一定，则实现单模传输的频带最宽频带最宽四、矩形波导中主模四、矩形波导中主模TETE1010模模1 1、TE10TE10模

23、场分布模场分布TETE1010模的场分量表达式为模的场分量表达式为 02 coscos1 cossin cossin000yzxzxyHEEztxaEaHztxaEHztxaEE第三章 微波传输线微波技术与天线微波技术与天线电子科技大学电子科技大学电子工程学院电子工程学院8:06矩形波导横截面上的场分布矩形波导横截面上的场分布 矩形波导纵剖面上的场分布矩形波导纵剖面上的场分布矩形波导矩形波导TETE1010模的三维场分布图模的三维场分布图壁电流分布图壁电流分布图第三章 微波传输线微波技术与天线微波技术与天线电子科技大学电子科技大学电子工程学院电子工程学院8:06011020TETETEccc即

24、即 2 2baa 当工作波长给定时，若要实现当工作波长给定时，若要实现TETE1010单模传输，则波导尺单模传输，则波导尺寸必须满足寸必须满足2 ab 2 为了实现为了实现TETE1010单模传输，则要求电磁波的工作波长必须满单模传输，则要求电磁波的工作波长必须满足下列条件足下列条件2 2、TETE1010模截止波长与截止频率模截止波长与截止频率abacTE20122210afcTE21103 3、矩形波导单模工作条件、矩形波导单模工作条件第三章 微波传输线微波技术与天线微波技术与天线电子科技大学电子科技大学电子工程学院电子工程学院8:063-6 圆波导l 圆波导是横截面为圆形的空心金圆波导是横截面为圆形的空心金属管属管l 圆波导具有损耗较小和双极化的圆波导具有损耗较小和双极化的特性特性l 圆波导常用作天线馈线和微波谐圆波导常用作天线馈线和微波谐振腔，也可作较远距离的传输线振腔，也可作较远距离的传输线一、结构一、结构 二、二、圆波导中的三个主要模式圆波导中的三个主要模式 圆波导中有无限多个模式存在，最常用的三个主要模式圆波导中有无限多个模式存在，最常用的三个主要模式为为TETE1111、TETE0101和和TMTM0101模。模。1 1、TETE1111模模( )cR 341.圆波导中圆波导中TETE1