项目二金属传输传输线理论

1、阿克苏职业技术学院工程教学设计课程名称电信传输原理教学工程名称工程二金属传输线理论本工程学时数6 hours课程教学团队计算机教学团队学习目标分析掌握传输线及应用；掌握传输线概念；了解传输线的分析方法； 掌握双线传输线的工作状态。学习者分析本次教授学生为咼职二年制学生，学习根底较为扎实，通过前面两 年的学习学生 们已经掌握了前导课程的相关概念。对于本章节的学习 没有太大难度，主要是根本概 念的学习，在学习过程中逐渐对本课程 产生兴趣。学习内容分析本工程的学习内容包括：2.1常用的传输线及其应用2.2传输线理论的常用分析方法及电参数2.3传输线方程及其解2.4传输线的根本特性参数2.5传输线的工

2、作状态教学策略本课程上课学生规模为 34人，为此我设计了鼓励式、讨论式、引导式、互动式、研究式等经典教学方法用于有线传输线常用分析方法、无线通信传输信道常用分析方法等根底理论的教学内容，目的在于突 破课堂教学的限制，引导学生课外对感兴 趣的领域深入钻研和探索， 使学生的学习参与性更强、积极性更高。同时采用“联系 实际提出问 题T引导学生思考讨论T解决方案的多种可能性T比照论证引 入根本原理 与根本方法T得出结论 的教学方法，这样的方法不仅调动了学生学习的积极性和主动性，同时也训练学生的逻辑思维能力与分析解决问题的能力，将真正获取知识本身的思考过程还给学生，而不是从老师的口中获取现成的答案和知识

3、。学习成果教学评价工程单元教学设计2学时步骤教学内容时间分配明确任务工程二、金属传输线理论12.1常用的传输线及其应用2.2传输线理论的常用分析方法及电参数2'工程引导1. 清点学生人数2. 复习上节课知识点：1 传输单位是什么？2 相对电平是什么意思？8'知识讲解2.1常用的传输线及应用广义地讲，但凡能够引导髙频或微波电磁波能量沿一定方向传输的导体、介质或由匕们共冋组成的导波系统，都可以称为传输线。这些传输线起着引导能量和传输信息的作用*金属传输线在不同频率范围内使用时，即便是同一传输线，其传输特性也会有所不冋。因此，冋一传输线不可能适用于各种频率情况传输，？只可能是在某些情

4、况下的应用。无论在何种情况下的应用，对传输线的根本要求是：传输效率髙，工作频带宽或传输容量大h工作特性稳定；传输损耗小，几何尺寸小和本钱低等。常用传输线的结构及种类任何一种传输线，其信号能量的传播都是以电磁波的形式进行的。.因牝，通常就按传输 的导行电磁波简称导波类型即TE波、TM波和TEM波来划分传输线类型。大致可分为二类。本章只讨论由两根金属导体组成，用来传输TEM波的双线传输线。常用的双线传输线有平行双导线如对称电缆线、双绞线、同轴线、带状线、微带线用于传输准TEM波等。<*>ce*r/ > TE E jgft* $c/ Jr STIc A >图2-1金属传输线的

5、种类平行双导线，b同轴线c带状线，d微带，e矩形波导f 圆形波 卓一g脊形波导,圆一k 单60'根外表波传输线。1平行双导线是最简单的 TEM波线平行双导线特点：随着传输TEM波的频率增高时，辐射损耗会急剧增力口。该传输线只适合于千米波、 米波的低频段。2 同轴线：可消除电磁辐射，用于分米波的高频段至10厘米波段。主要优点是工作频带宽，适合频带较宽的信号传送。也传输TE、TM波3带状线：由双接地板中间夹有一导体带构成，导体带与双接地板之间是固体介质或空气。带状线可以看成由同轴线演变而来，适合做1GHz以上的高性能无源带状元件，如滤波器、耦合器等。同轴线到带状线的演变4微带传输线：是微波

6、集成电路的主要组成局部，微带线它由介质基片上的导体带与底面上金属接地板构成。它也可以看成由平行双导线演变而来。广泛用于1GHz以上制作各种集成微波元器件。2.13双绞线电缆的电参数及应用UTP双绞线目前最为通用，是学校校园网数据线的最正确选择。UTP双绞线又可分为15类，其差异主要是单位长度扭绞次数，不同类别的线对具有不同的扭绞长度。一般来说，扭 绞长度或扭距在3.81? 14cm,铜导线的直径在0.4? 1mm扭绞越密其支持的传输速戌越高女口 5类线扭距为13 mm; 4类扭距为25 mm UTP双绞线在传输距离、信道宽度和赛 据传输速度等方面均受到一 定限制。当距离在100米内，并且采用特

7、殊的电子传输技术时，传输率可达100? 155Mbil/S。UTP双绞线的类型及用 途如表2-3所示。表2-3 UTP双绞线类型及应用范围类型使用范围第1类第用于频率为100kHz以下的语音传输报警系统，不用于数据传输第2类用于语音传输和最高传输速率为4 Mb/s的数据传输第3类用于语音传输和最高传输速率为段长100 m16 Mb/s的数据传输，最大网第4类用于语音传输和最高传输速率长 100 m20 Mb/s的数据传输，最大网段第5类/超第5类用于语音传输和最高传输速率为100Mb/s的数据传输，最大网 段长100m 也是最常用的以太网电 缦用于最大峰值155 Mb/s数据传输，最大传输距

8、离为105m第6类用于最大峰值1000Mb/s数据传输，最大网段长 90? 100m第7类方案的带宽为 600 MHz以上至10 GHz,属于STP双绞线对于双绞线主要关心的电参数是衰减、近端串扰损耗、特性阻抗、分布电容、直流电阻等。双绞线的特性阻抗有：100n、120 Q, 150 n STP等，我国常用 的特性阻抗为100 n.2?传输TE模波和TM模波m.传输线有：矩形波导、圆波导、椭圆波导、脊形波导等特点:金属波导传输线是将电磁波束缚在管内传输的。适用于高频厘米、分米波段传输5'金属波导作为传输线 因电磁波全封闭金属波导管内，那么其辐射极微。因波导是空心的没有内导体，波导的击穿

9、强度很高，可传大功率微波信号。波导壁面积大，高频电流的趋外表热损耗小。本节课学习了金属传输线的分类、结构以及传输线常用的分析方法。同学们对于每种不同结构的传输线的用途要重点掌握。3'2'课后练习P53工程单元教学设计2学时教学内容工程二、金属传输线理论2传输线方程及其解传输线的根本特性参数时间分配2'1.清点学生人数2.复习上节课知识点：1金属传输线的分类是什么？2传输线常用的分析方法有哪两种？2.3传输线方程及其解2.2节把均勻传输线等效为具有分布参数电路，本节用“路的分析 方法，列出电 压和电流的表达式，建立传输方程，并导出传输方程解。23.1均匀传输线的方程在均匀

10、传输线上任意一点z处，取一微分线元4-B,其长度为兔dzcU,此小线焉；丨A-B就可视为一集总参数电路的二端倒L型或71型网络，其网络上的相应总电阻为总电感为Adz;总电容为Qdzt总电导为Gidz;如图2-12 a所示。这样，整个均匀传输线就可视为由多个这些等效倒L型网络连接而成的分布参数等效电路，如图2-12 b所示。通过研究传输线上电压、电流的相互变化关系就可推出传输线方程。首先，假设传输线的始端连接了厂个角频率为W的正弦信号源，且其电压8'和电流随时间倦 简谐变化。此时传输线上电压和电流的瞬时值为60'第6页共12页当传输线的工作频率较高时,传输线的传输特性受其分布参数

11、的影响较大,这时线上的任一无限小线元dzdzvv入，其传输线的电阻为 R1dz、电感为L1dz，线间分布电导为 G1dz、电容为 C1dz。在线上任取一微小线元 A-B，其长度为dz,此小线元就可视为一集总参 数电路。整个均 匀传输线就视为无限多个等效倒L型网络连接而成的分布参数电路u2 . dz i1 . dz:z:zA占：八电压u;电流IPl 1u占:电压cudzB八u-u ；电流八.:z、:i . dzi -(i + - dz)-AB两点间的电压降UAB :-z-zuiAB两点间的电流 ab : RiiLi A、B两点电压、zt电流推出的微分方程即均匀传输线的微分方程为=GiU Ci -

12、:z讥U (zp Aez传输线方程的解1 /Zc(A2ezA2e z)ZcA1，A2具有阻抗量纲，称为传输线的特性阻抗。为积分常数，利用边界条件解出其值2.4传输线的根本特性参数由 2.3 节导出的均匀传输线方程解可知， 沿线各点电压、电流的分布不仅是z的函数，冃.打物理最7、a、p、Zc冇关。这些愜巾最又被称为均匀 C传输线的二次参数。二次参数是衡量传输线通信质量优劣的重耍指标次参数是指传输箔数特性阻抗特杵阻抗的幅频特性和相频特性传输常数丫a：电磁波作传输线卜的哀减 3 :电磁波在传输线上的相位相速度Vp ：是指单频仁沿一个方向传输的行波 入射波或反射波前进的速度或单-频波的竽相位面点移动的

13、速度，记作Vpu9 I15*经tt1这段时间，波从点p1移动到点P2,移动距离Z1-Z2 ,因此波的传输速度足Vp =本节课主要讲了传输线传播的计算方程及其解，推导过程要求冋学们了解即MJ',対于力程及解需耍同学们拿握以及传输线的車耍皋本特忤参数。2课后练习P53其他单元教学设计2学时时间分配教学内容工程二、金属传输线理论3传输线的工作状态1.清点学生人数2.复习上节课知识点:1 传输线方程是什么?2 传输线根本特性包括那几个?2.5传输线的工作状态传输线的工作状态是指电信传输效率。人们希望能把含信息的能量能尽可能多地传送到终端负载上，并要求高质量地传送信息。传输线的工作状态一般可分为

14、终端接无反射负载负载匹配的行波状态，终端接射负栽负全反射负载终端短路、开路的纯驻波状态和终端接局部反 载不匹配的行驻波状态三种。传输线的阻抗匹配为什么要阻抗匹配?出现反射波，意味着传输效率降低;出现驻波，假设电压很高,电压波腹点加大投资;易出现介质击穿，为防止，那么需采用大尺寸和耐压高的传输线,电流波腹点电流过大,局部绝缘层易烧坏； 输入阻抗将随频率而变化,输多频率信号时，出现失真；从天线向接收机送电视信号,局部信号在传输线上来回反射，降低传输信号，同时使图像轮廓不清。阻抗匹配在有线电信传输中，要求信源内阻 Zg等于传输线的特性阻抗Zc,特性阻抗Zc等于负载阻抗ZL，这时负载就能获得最大的功率

15、，称为传输线的负载阻抗匹配，此时传输线工作在行波状态。当传输线阻抗匹配或传输线为半无限长时，传输线处于行波工作状态。处于行波状态下的传输线其特点如下: 传输线上只存在入射波而无反射波，电压波或电流波均处于纯行波状态，幅度不变。 电压波和电流波同相，其值之比V / I=Zc为传输线的特性阻抗 Zc； 由传输线任意截面处向终端负载方向看进去的输入阻抗Z = Zc ； 因没有反射，始端向终端方向传输的功率，全部被负载吸收，传输效率最高。反射和反射损耗ZC丰ZL时，传输线上既有行波，又有驻波，电压、电流的幅度将随传播 距离变化而在极大值与极小值之间摆动，传输效率下降，到达接收端的信全反射：线路上发生断

16、线或短路故障， 即ZL TH或ZL=0。当电磁波传输 到终端时，既不能继续向前传播,又没有负载吸收能量，于是电磁波只能 沿线路由终端向始端回传，称为反射，而且是全反射。如果电磁波为全反射时，传输线上处于驻波工作状态。3A4i/2A/4驻波具有特点如下: 驻波是一种简谐振动，非传输波，它是由两个传输方向相反，振幅幅值不变的行波的迭加结果。 沿线电压、电流的振幅是位置z的函数，具有波腹峰值点和波节点零值。短路线的终端为电压波节点，但为电流波腹点；开路线终端为电压波腹点，而电流为波节点。 沿线各点的电压和电流其相差为n /2。在驻波状态下，既没有能量的损耗，也没有能量的传播相邻两波节点之间沿线各点的电压或电流冋极性，波节点两边沿线各点的电压或电流反极