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1、共203页1 第第4 4章章 无线电基础知识无线电基础知识共203页2 顾名思义,顾名思义,“无线电无线电”就是从一点向另一点以就是从一点向另一点以“无线无线”的方式传的方式传送信号。目前,机载通信、导航系统都无一例外地采用无线电技术。送信号。目前,机载通信、导航系统都无一例外地采用无线电技术。无线电传输以自由空间为媒介传输信号,完成通信和导航任务。无线电传输以自由空间为媒介传输信号,完成通信和导航任务。 采用无线电技术传输信息的框图如图采用无线电技术传输信息的框图如图4-14-1所示。所示。共203页3 声波或光波等信号经变换器变换成电信号,在发射机中进行调制,声波或光波等信号经变换器变换成

2、电信号,在发射机中进行调制,将频率搬移到能用天线向空间辐射的频段内,由发射天线辐射到自由空将频率搬移到能用天线向空间辐射的频段内,由发射天线辐射到自由空间;接收天线从自由空间接收信息,在接收机中进行解调,再经过变换间;接收天线从自由空间接收信息,在接收机中进行解调,再经过变换器的变换还原成声波或光波信号。由于发射设备与接收设备之间没有导器的变换还原成声波或光波信号。由于发射设备与接收设备之间没有导线的连接,所以这一信息传输系统称为线的连接,所以这一信息传输系统称为无线电传输系统无线电传输系统。 为了更好地理解无线电传输系统的基本原理,我们必须学习下列基为了更好地理解无线电传输系统的基本原理,我

3、们必须学习下列基本知识:无线电频段的划分,信号、频谱与带宽,高频传输线,电磁波本知识:无线电频段的划分,信号、频谱与带宽,高频传输线,电磁波的传播与天线,调制与解调,发射机,接收机,话筒与扬声器。的传播与天线,调制与解调,发射机,接收机,话筒与扬声器。共203页44.1 4.1 无线电频段的划分无线电频段的划分 图图4.1-14.1-1所示为电磁波频谱图,从图中可以看出:无线电波位于电磁所示为电磁波频谱图,从图中可以看出:无线电波位于电磁波频谱图的中低段,其频率范围从波频谱图的中低段,其频率范围从10104 4 HzHz10101212 Hz Hz。无线电设备通过这。无线电设备通过这一频段传递

4、信息。电磁波的变化范围很宽,还包括红外线、可见光、紫一频段传递信息。电磁波的变化范围很宽,还包括红外线、可见光、紫外线、外线、X X射线和射线和射线等。射线等。 从图从图4.1 -14.1 -1逐可以看出,逐可以看出,电磁波的波长越长,频率越低;波长越电磁波的波长越长,频率越低;波长越短,频率越高短,频率越高。他们之间的关系可以用下面。他们之间的关系可以用下面公式表示公式表示:共203页5共203页6 无线电频率从低端到高端分无线电频率从低端到高端分为八个频段,他们是:为八个频段,他们是:甚低频甚低频( VLF)( VLF)、低频低频(LF)(LF)、中频中频(MF)(MF)、高频高频(HF)

5、(HF)、甚高频甚高频(VHF)(VHF)、特高频特高频(UHF)(UHF)、超高频超高频(SHF)(SHF)极高频极高频(EHF)(EHF)频段,机载无线电设备几乎使用了频段,机载无线电设备几乎使用了所有的频段,如图所有的频段,如图4.1 -24.1 -2所示。所示。共203页7 甚低频甚低频( VLF)( VLF)频段的频率可达频段的频率可达30 kHz30 kHz。这一频段用于早期的。这一频段用于早期的OMEGAOMEGA导导航系统中,现在仍用于军事。另外,人说话的音频信号也在这一频段内。航系统中,现在仍用于军事。另外,人说话的音频信号也在这一频段内。 低频低频( LF)( LF)频段在

6、频段在3030300 kHz300 kHz之间。飞机通信系统不使用该频段,之间。飞机通信系统不使用该频段,但公共长波电台但公共长波电台(190 -535 kHz)(190 -535 kHz)和和ADFADF导航系统使用这一频段。导航系统使用这一频段。 中频中频( MF)( MF)频段在频段在300 kHz 3 MHz300 kHz 3 MHz之间。飞机通信系统也不使用该频之间。飞机通信系统也不使用该频段,但公共中波电台段,但公共中波电台( 550 -1 800 kHz)( 550 -1 800 kHz)和和ADFADF导航系统导航系统(200 -1 600 kHz)(200 -1 600 kH

7、z)使用这一频段。使用这一频段。 高频高频( HF)( HF)频段在频段在3-30 MHz3-30 MHz之间。机载高频通信系统使用该频段,它之间。机载高频通信系统使用该频段,它可以完成长距离的通信。可以完成长距离的通信。 甚高频甚高频( VHF)( VHF)频段在频段在30 - 300 MHz30 - 300 MHz之间。机载甚高频通信系统使用之间。机载甚高频通信系统使用该该频段,其通信作用范围可达频段,其通信作用范围可达200 n mile200 n mile。导航系统中的。导航系统中的MKMK、VORVOR和和ILSILS系系统统等以及调频广播电台也使用这一频段。等以及调频广播电台也使用

8、这一频段。 共203页8 特高频特高频( UHF)( UHF)频段在频段在300 MHz300 MHz一一3 GHz3 GHz之间。这一频段仅用于军事通之间。这一频段仅用于军事通信系统中,另外,导航系统中的信系统中,另外,导航系统中的GSGS、DMEDME、ATCATC应答机和应答机和GPSGPS也使用该频也使用该频段。段。 超高频超高频( SHF)( SHF)频段在频段在3 330 GHz30 GHz之间。卫星通信系统使用该频段,之间。卫星通信系统使用该频段,导导航系统中的气象雷达、无线电高度表的工作频率也属于该频殷。航系统中的气象雷达、无线电高度表的工作频率也属于该频殷。 极高频极高频(E

9、HF)(EHF)频段在频段在30 - 300 GHz30 - 300 GHz之间。通信系统和导航系统中的之间。通信系统和导航系统中的设设备都不使用这一频段。备都不使用这一频段。 对于微波频段还有一种国际上公认的字母表示方法,它们代表的是对于微波频段还有一种国际上公认的字母表示方法,它们代表的是一个大约的频率范围,如表一个大约的频率范围,如表4.1 -14.1 -1所列。所列。共203页9 4.2 4.2 信号信号 频谱频谱 带宽带宽 4.2.1 4.2.1信号与频谱信号与频谱 语言、文字、音乐、图像和数据等都可以反映一定的信息,可以统语言、文字、音乐、图像和数据等都可以反映一定的信息,可以统称

10、为信号,但它们都不属于电信号。如果采用无线电技术传送这些信称为信号,但它们都不属于电信号。如果采用无线电技术传送这些信息,就必须将其变换为电信号,话筒就是这样一个变换器,它可以将声息,就必须将其变换为电信号,话筒就是这样一个变换器,它可以将声音信号变换为随之作相应变化的电流或电压。因此,我们将音信号变换为随之作相应变化的电流或电压。因此,我们将反映一定的反映一定的非电量信息的电流或电压称为电信号非电量信息的电流或电压称为电信号。 任何非正弦信号都可以分解为一系列幅度不同、频率不同和相位不任何非正弦信号都可以分解为一系列幅度不同、频率不同和相位不同的正弦分量,即由这些正弦分量叠加而成,如图同的正

11、弦分量,即由这些正弦分量叠加而成,如图4.2 -14.2 -1所示。图中所示。图中与与方波频率相同的正弦波称为基波,方波频率相同的正弦波称为基波,高于基波频率的正弦波称为谐波高于基波频率的正弦波称为谐波。共203页10 可见,正弦信号是组成任何信号的基础。因此,在研究信号的传输可见,正弦信号是组成任何信号的基础。因此,在研究信号的传输时,我们仅讨论正弦信号的传输过程。时,我们仅讨论正弦信号的传输过程。 如果将各正弦分量的幅度按其频率的高低依次排列,可得到振幅频如果将各正弦分量的幅度按其频率的高低依次排列,可得到振幅频谱,简称幅谱;将各正弦分量的初相位也按其频率的高低依次排列,即谱,简称幅谱;将

12、各正弦分量的初相位也按其频率的高低依次排列,即为相位频谱,简称相谱。为相位频谱,简称相谱。 幅谱和相谱总称为频谱幅谱和相谱总称为频谱。通常在没有注明的情况下所说的频谱,即。通常在没有注明的情况下所说的频谱,即指幅谱。指幅谱。 下面以低频正弦信号为例,说明信号波形与频谱之间的关系,如图下面以低频正弦信号为例,说明信号波形与频谱之间的关系,如图4.2 -24.2 -2所示。所示。 从图从图4.2 -2 (b)4.2 -2 (b)可以看出,频谱谱线的可以看出,频谱谱线的幅度反映了音频信号的峰值幅度反映了音频信号的峰值大小大小,频谱谱线,频谱谱线距频率轴原点的远近反映了音频信号频率的高低距频率轴原点的

13、远近反映了音频信号频率的高低。 共203页11 从图从图4.2 -2 (b)4.2 -2 (b)可以看出,频谱谱线的幅度反映了音频信号的峰值可以看出,频谱谱线的幅度反映了音频信号的峰值大小,频谱谱线距频率轴原点的远近反映了音频信号频率的高低。大小,频谱谱线距频率轴原点的远近反映了音频信号频率的高低。 然而,通常实际音频信号并非单频正弦波,因此其频谱也是由多条然而,通常实际音频信号并非单频正弦波,因此其频谱也是由多条谱线组成,图谱线组成,图4.2 -3 (a)4.2 -3 (a)所示为所示为“啊啊”音信号的波形,图音信号的波形,图4.2-3 (b) 4.2-3 (b) 所所示为该波形的频谱图,图

14、示为该波形的频谱图,图4.2 -3 (c)4.2 -3 (c)所示为该音频信号占有的频率范围。所示为该音频信号占有的频率范围。 可见,要想传输可见,要想传输“啊啊”音信号,就必须将图音信号,就必须将图4.2 -3 (b)4.2 -3 (b)中的谱线中的谱线全全部传出,这样才能保证所传信号不失真。因此,在传输信号时,应该保部传出,这样才能保证所传信号不失真。因此,在传输信号时,应该保证一个基本的频率范围,这就是下面将要讨论的带宽。证一个基本的频率范围,这就是下面将要讨论的带宽。共203页12共203页13 4.2.2 4.2.2信号的带宽信号的带宽 从上面分析可知,音频电信号由话筒转换而来。声音

15、大,则电信号从上面分析可知,音频电信号由话筒转换而来。声音大,则电信号的幅度大;音调高,则电信号的频率高,因此,要传送这些变化需要占的幅度大;音调高,则电信号的频率高,因此,要传送这些变化需要占用一定的频率范围。我们将用一定的频率范围。我们将传送信号所必须的频率范围称为信号的带宽传送信号所必须的频率范围称为信号的带宽。共203页14 例如一个矩形脉冲波的波形和频谱如图例如一个矩形脉冲波的波形和频谱如图4.2 -44.2 -4所示。它的脉冲宽度所示。它的脉冲宽度越窄,其所含有的谱线数就越多,因此,要想逼真地传送这一脉冲波越窄,其所含有的谱线数就越多,因此,要想逼真地传送这一脉冲波形,就需要将很多

16、频率成分传送出去。可见,传输电信号必须要有一定形,就需要将很多频率成分传送出去。可见,传输电信号必须要有一定的带宽。的带宽。共203页15 使用电话通信,从经济角使用电话通信,从经济角度来考虑,带宽约为度来考虑,带宽约为3 kHz3 kHz就可就可以满足要求;而传输高质量的以满足要求;而传输高质量的音乐信号所需要的频率范围约音乐信号所需要的频率范围约为为30 Hz - 16 kHz30 Hz - 16 kHz。在超短波。在超短波无线电广播中,至少要有无线电广播中,至少要有150 150 kHzkHz的带宽。电视的每个频道需的带宽。电视的每个频道需要占用的带宽为要占用的带宽为7 78 MHz8

17、MHz。传。传输线路是否具有足够的带宽,输线路是否具有足够的带宽,只要输入一个正跳变信号,从只要输入一个正跳变信号,从输出电压的波形变化中就可以输出电压的波形变化中就可以判断出来,如图判断出来,如图4.2 -54.2 -5所示。所示。共203页16 带宽越小,输出电压达到它的终值所需要的时间越长。上升时间由带宽越小,输出电压达到它的终值所需要的时间越长。上升时间由电压终值的电压终值的10%10%和和90%90%之间的时间之间的时间trtr来确定。它们的关系为:来确定。它们的关系为: 从公式中可以看出,从公式中可以看出,trtr越小,输出信号的失真就越小,上限频率越小,输出信号的失真就越小,上限

18、频率f fh h就越高,传输信号要求的带宽就越大。然而,上限频率太高,铜导线将就越高,传输信号要求的带宽就越大。然而,上限频率太高,铜导线将不能有效地传输信号,这一点由导线对高频信号的传输特点决定。由图不能有效地传输信号,这一点由导线对高频信号的传输特点决定。由图4-14-1得知,从发射机到天线,从天线到接收机,采用的就是导线传输高得知,从发射机到天线,从天线到接收机,采用的就是导线传输高频信号。因此,我们必须讨论高频传输线的相关知识。频信号。因此,我们必须讨论高频传输线的相关知识。共203页17 4.3 4.3 传输线传输线 4.3.1 4.3.1 长线与短线、传输线的参数、等效电路及种类长

19、线与短线、传输线的参数、等效电路及种类 我们平常所使用的电缆线、电话线都是传输线。但这两种传输线的我们平常所使用的电缆线、电话线都是传输线。但这两种传输线的工作频率都比较低。工作频率都比较低。 在这种情况下,传输线上的电阻一般可以忽略不计。由于工作频率在这种情况下,传输线上的电阻一般可以忽略不计。由于工作频率很低,线上的分布电感和分布电容也可以忽略。因此可以认为:电流和很低,线上的分布电感和分布电容也可以忽略。因此可以认为:电流和电压在某一时刻可以同时传输到导线传输线上的各个点。电压在某一时刻可以同时传输到导线传输线上的各个点。 随着传输信号频率的升高,传输线上的传输特性将发生变化。要想随着传

20、输信号频率的升高,传输线上的传输特性将发生变化。要想使用传输线传送高频信息,就需要弄清传输线的特点。下面首先介绍长使用传输线传送高频信息,就需要弄清传输线的特点。下面首先介绍长线与短线的概念。线与短线的概念。共203页18 1 1长线与短线的概念长线与短线的概念 (1)(1)短线的概念短线的概念 由于工作频率的不同,传输线可分为高频传输线和低频传输线。低由于工作频率的不同,传输线可分为高频传输线和低频传输线。低频传输线的工作频率较低,倍号波长大于导线长度,即:频传输线的工作频率较低,倍号波长大于导线长度,即:LL(L L是电是电路的几何长度)。这时可以认为:无论传输线本身的绝对几何长度如路的几

21、何长度)。这时可以认为:无论传输线本身的绝对几何长度如何,都称为何,都称为“短线短线”。 在前面研究电路问题时,常常认为电子能量只存储或消耗在电路元在前面研究电路问题时,常常认为电子能量只存储或消耗在电路元件上,而各元件之间则用既无电阻也无电感的理想导线连接,这些导线件上,而各元件之间则用既无电阻也无电感的理想导线连接,这些导线与电路其他部分之间的电容也不予考虑,这就是所谓的集中参数电路。与电路其他部分之间的电容也不予考虑,这就是所谓的集中参数电路。因此,短线概念适用于集中参数电路。因此,短线概念适用于集中参数电路。 从图从图4.3 -1 (a)4.3 -1 (a)可以看出,由于可以看出,由于

22、LL, ,所以可以认为沿传输线上所以可以认为沿传输线上任一点的电压和电流的分布是相同的,它们不随空间的变化而变化。任一点的电压和电流的分布是相同的,它们不随空间的变化而变化。共203页19 (2) (2)长线的概念长线的概念 实际电路并不像集中参数电路等效的那样,任何电路参数都具有分实际电路并不像集中参数电路等效的那样,任何电路参数都具有分布性。比如说,任何导线上的电阻都是分布在它的全部长度上的;不仅布性。比如说,任何导线上的电阻都是分布在它的全部长度上的;不仅线圈的电感分布在它的每一线匝上,即使一根导线也存在着分布电感;线圈的电感分布在它的每一线匝上,即使一根导线也存在着分布电感;两根导线之

23、间不仅有分布电容,而且由于绝缘不完善而处处有漏电导存两根导线之间不仅有分布电容,而且由于绝缘不完善而处处有漏电导存在。在。 高频传输线的工作频率较高,信号波长较短,传输线的长度和沿传高频传输线的工作频率较高,信号波长较短,传输线的长度和沿传输线传播的电磁波波长可以相比拟,即:输线传播的电磁波波长可以相比拟,即: LL (L L是电路的几何长是电路的几何长度)。这种长度能和波长相比拟的传输线称为度)。这种长度能和波长相比拟的传输线称为“长线长线”。因此,在处理。因此,在处理这这种电路时,应该考虑电路的分布参数,这一类电路称为分布参数电路。种电路时,应该考虑电路的分布参数,这一类电路称为分布参数电

24、路。可见,长线概念适用于分布参数电路。可见,长线概念适用于分布参数电路。共203页20 从图从图4.3 -1 (b)4.3 -1 (b)可以看出,由于可以看出,由于LL ,所以此时沿传输线上任一点,所以此时沿传输线上任一点的电压和电流的数值变化较大。一般来说,当的电压和电流的数值变化较大。一般来说,当L L/10/10时,传输线上的电时,传输线上的电压和电流值不仅随时间变化,而且也随空间位置的变化而变化,电磁波在压和电流值不仅随时间变化,而且也随空间位置的变化而变化,电磁波在传输线上的传播呈波浪式向前推进。传输线上的传播呈波浪式向前推进。 注意:长线和短线的概念都是与波长相比较而言,并非指它们

25、本身的注意:长线和短线的概念都是与波长相比较而言,并非指它们本身的绝对几何尺寸的长短。绝对几何尺寸的长短。 在这节中,我们主要研究高频传输线。为了定量计算传输线的各种参在这节中,我们主要研究高频传输线。为了定量计算传输线的各种参数,还必须了解高频传输线的等效电路。数,还必须了解高频传输线的等效电路。共203页21 2 2传输线的分布参数和等效电路传输线的分布参数和等效电路 (1)(1)传输线的分布参数传输线的分布参数 1) 1)分布电感分布电感L L 平行传输线上有电流流过时,导线周围就产生了磁场。磁场的产平行传输线上有电流流过时,导线周围就产生了磁场。磁场的产生,说明导线上有电感存在,而这一

26、磁场是分布在导线周围的,因此,生,说明导线上有电感存在,而这一磁场是分布在导线周围的,因此,可以认为电感也肯定是分布在整个导线上,这一分布在导线上的电感称可以认为电感也肯定是分布在整个导线上,这一分布在导线上的电感称之为分布电感。之为分布电感。 分布电感的计算公式为:分布电感的计算公式为:共203页22 2)2)分布电容分布电容C C 当平行传输线之间加上电压时,两条线上的每一点都有电荷分布,当平行传输线之间加上电压时,两条线上的每一点都有电荷分布,而两线间又是绝缘的,所以可以把两线看成是两个极板,这样平行传输而两线间又是绝缘的,所以可以把两线看成是两个极板,这样平行传输线之间就构成了许多电容

27、,而且这些电容是沿整个导线上分布的,这些线之间就构成了许多电容,而且这些电容是沿整个导线上分布的,这些电容就称为分布电容。电容就称为分布电容。 分布电容的计算公式为:分布电容的计算公式为:共203页23 3) 3)分布电阻分布电阻R R和分布漏电导和分布漏电导G G 导线材料存在着电阻率导线材料存在着电阻率,因此,传输线上还有分布电阻,因此,传输线上还有分布电阻R R存在,但存在,但其阻值很小。而线间虽然有绝缘物质把导线隔开,但也只能承受一定的线其阻值很小。而线间虽然有绝缘物质把导线隔开,但也只能承受一定的线间电压,一旦线间电压超过一定范围,绝缘物质将被击穿。从这一点来间电压,一旦线间电压超过

28、一定范围,绝缘物质将被击穿。从这一点来看,线间还存在着漏电导看,线间还存在着漏电导G G,并且这一漏电导,并且这一漏电导G G也是沿线分布的,只不过其也是沿线分布的,只不过其数值很小。数值很小。 根据上面的根据上面的分析,可以得到分析,可以得到平行传输线的一平行传输线的一般等效电路,如般等效电路,如图图4.3-24.3-2所示。所示。共203页24 (2) (2)传输线的均匀无损耗等效电路传输线的均匀无损耗等效电路 在电工基础中,我们已经讨论过,导线一般采用铜线或铝线,其电在电工基础中,我们已经讨论过,导线一般采用铜线或铝线,其电阻率很低,因此,可以忽略导线上的分布电阻阻率很低,因此,可以忽略

29、导线上的分布电阻R R。另外,分布漏电导也。另外,分布漏电导也很小,而且在信号传输过程中,可以控制线间电压的大小,所以可以把很小,而且在信号传输过程中,可以控制线间电压的大小,所以可以把两线之间看成是完全绝缘的,因此,分布漏电导也可以忽略。两线之间看成是完全绝缘的,因此,分布漏电导也可以忽略。 但由于传输信号的频率很高,因此,感抗但由于传输信号的频率很高,因此,感抗LL和容抗和容抗1/L1/L就不能就不能忽略。根据上述分析,图忽略。根据上述分析,图4.3 -24.3 -2中的一般等效电路中,就只剩下了分布中的一般等效电路中,就只剩下了分布电感和分布电容。电感和分布电容。 根据根据电工基础电工基

30、础可知,理想电感和电容是不消耗电能的。如果把可知,理想电感和电容是不消耗电能的。如果把传输线上的分布电感和分布电容看成是均匀分布的,于是就得到了如图传输线上的分布电感和分布电容看成是均匀分布的,于是就得到了如图4.3 -34.3 -3所示的等效电路,这一电所示的等效电路,这一电路称为传输线的均匀无损耗等效路称为传输线的均匀无损耗等效电路。在后面对高频传输线的研电路。在后面对高频传输线的研究中,只讨论均匀无损耗传输线。究中,只讨论均匀无损耗传输线。共203页25 3 3传输线的特性阻抗和电磁波在线上的传播速度传输线的特性阻抗和电磁波在线上的传播速度 (1)(1)特性阻抗特性阻抗ZcZc 在单位长

31、度为在单位长度为1 1的传输线上,各对应点上的电压与电流之比称为阻的传输线上,各对应点上的电压与电流之比称为阻抗。而对于均匀无损耗传输线来说,忽略了传输线上电阻和电导的损抗。而对于均匀无损耗传输线来说,忽略了传输线上电阻和电导的损耗,并且认为分布电感和分布电容在沿线上是均匀分布的,所以传输线耗,并且认为分布电感和分布电容在沿线上是均匀分布的,所以传输线上的能量传输靠分布电感和分布电容来完成。根据能量守恒定律,有:上的能量传输靠分布电感和分布电容来完成。根据能量守恒定律,有:共203页26 可见,在高频条件下,传输线的特性阻抗相当于一个纯电阻,它仅可见,在高频条件下,传输线的特性阻抗相当于一个纯

32、电阻,它仅与传输线的类型、尺寸和介质等参数有关,而与频率无关。注意上述结与传输线的类型、尺寸和介质等参数有关,而与频率无关。注意上述结论适用于论适用于RFRF频段内频段内f10 kHzf10 kHz)的均匀无耗传输线。)的均匀无耗传输线。 例题例题1 1:某传输线上的分布电容:某传输线上的分布电容C= 28 pF/mC= 28 pF/m,分布电感,分布电感L=1.6H/m,L=1.6H/m,问它的特性阻抗为多大?问它的特性阻抗为多大? 解:解:共203页27 (2) (2)传播速度传播速度 从传输线的等效电路可以看出,它实际上是一个电容和电感组成的从传输线的等效电路可以看出,它实际上是一个电容

33、和电感组成的网络,因此,电磁能量的传播靠电容与电感之间的能量交换来完成。在网络,因此,电磁能量的传播靠电容与电感之间的能量交换来完成。在电工基础电工基础中我们已经学过:流过电感的电流和加在电容两端的电压中我们已经学过:流过电感的电流和加在电容两端的电压不能突变,而传输线间的绝缘材料又会增加分布电容的容量,因此,不能突变,而传输线间的绝缘材料又会增加分布电容的容量,因此,分分布电感和电容将对电磁波在传输线上的传输产生一定的延迟作用布电感和电容将对电磁波在传输线上的传输产生一定的延迟作用。电磁。电磁波的传播速度由下列公式确定,该速度大约比真空中的光速小波的传播速度由下列公式确定,该速度大约比真空中

34、的光速小10%10%40%40%。共203页28 例题例题2 2:测得某传输线上的分布电容:测得某传输线上的分布电容C= 20 pF/mC= 20 pF/m,分布电感,分布电感L=1.5H/mL=1.5H/m,求沿线的传播速度为多大?,求沿线的传播速度为多大? 解:解: 4 4传输线的种类传输线的种类 在发射机与发射天线之间和接收机与接收天线之间,所用的传输线在发射机与发射天线之间和接收机与接收天线之间,所用的传输线都是高频传输线。它一般有两种类型:都是高频传输线。它一般有两种类型:一种是平行双线传输线;另一种一种是平行双线传输线;另一种是同轴传输线是同轴传输线。 (1)(1)平行双线传输线平

35、行双线传输线 平行双线传输线是一种平衡的传输线,它由两根线径相等的平行导平行双线传输线是一种平衡的传输线,它由两根线径相等的平行导线组成,如图线组成,如图4.3 -4 (a)4.3 -4 (a)所示。导线的直径在所示。导线的直径在1 mm1 mm至数毫米之间,两根至数毫米之间,两根导线的间距不超过被传输的电磁波波长的导线的间距不超过被传输的电磁波波长的1/101/10。通常平行双线传输线的。通常平行双线传输线的特性阻抗大约在特性阻抗大约在250 - 700 250 - 700 之间,常用的特性阻抗值是之间,常用的特性阻抗值是300 300 。这种。这种传输线的辐射损耗大,一般工作频率在传输线的

36、辐射损耗大,一般工作频率在200 MHz200 MHz以下。以下。共203页29 (2) (2)同轴传输线同轴传输线 同轴传输线又称为同轴电缆,它是一种不平衡的传输线,其结构如同轴传输线又称为同轴电缆,它是一种不平衡的传输线,其结构如图图4.3 -4 (b)4.3 -4 (b)所示。它由同轴排列的内外两个导体组成。内导体是实心所示。它由同轴排列的内外两个导体组成。内导体是实心导线,外导体由金属编织网制成。内外导体间充以高频绝缘介质,表面导线,外导体由金属编织网制成。内外导体间充以高频绝缘介质,表面附有塑料保护层。同轴线上电阻损耗取决于内导体的直径,电阻损耗小附有塑料保护层。同轴线上电阻损耗取决

37、于内导体的直径,电阻损耗小于同直径的平行传输线。由于外导体的屏蔽作用,同轴线的辐射损耗很于同直径的平行传输线。由于外导体的屏蔽作用,同轴线的辐射损耗很低,其工作频率可达到低,其工作频率可达到3 GHz3 GHz。同轴传输线的特性阻抗大约在。同轴传输线的特性阻抗大约在40-200 40-200 之间。常用的同轴线特性阻抗有之间。常用的同轴线特性阻抗有50 50 、75 75 和和150 150 等多种类型。等多种类型。共203页30 4.3.2 4.3.2 均匀无损耗传输线传输的特点和应用均匀无损耗传输线传输的特点和应用 1 1传输线的长度和传输信号的频率对信号传输的影响下面通过实传输线的长度和

38、传输信号的频率对信号传输的影响下面通过实验的方法对传输线的传输特点进行研究。验的方法对传输线的传输特点进行研究。 首先对传输线实验设备作一个说明:在实验中,采用一个首先对传输线实验设备作一个说明:在实验中,采用一个100 m100 m长长的传输线模拟器完成实验。实验器的分布电容的传输线模拟器完成实验。实验器的分布电容C= 75 pF/mC= 75 pF/m,分布电感,分布电感L=0.4H/mL=0.4H/m,分布电阻,分布电阻R=0.25 /mR=0.25 /m。因此,该实验器的特性阻抗。因此,该实验器的特性阻抗ZcZc 73 73 。 实验一实验一 按按如图如图4.3 -54.3 -5所示所

39、示的实验电路进行的实验电路进行连接。连接。共203页31 将高频信号产生器的输出信号频率将高频信号产生器的输出信号频率f f调整为调整为1.8 MHz1.8 MHz,电压的峰,电压的峰- -峰值峰值uppupp调整为调整为8 V;8 V; 将将RL=68 RL=68 的电阻接入电路中,分别测量的电阻接入电路中,分别测量“u upp1pp1、u upp2pp2、u upp3pp3、 u upp4pp4和和u upp5pp5的峰的峰- -峰值电压,并填人下表;峰值电压,并填人下表;共203页32 再将高频信号产生器的输出信号频率,调整为再将高频信号产生器的输出信号频率,调整为2 MHz2 MHz,

40、电压的峰,电压的峰- -峰值峰值uppupp调整为调整为8V8V,重新测量上述各点的峰,重新测量上述各点的峰- -峰电压,填人下表,并用描峰电压,填人下表,并用描点法画出曲线图,如图点法画出曲线图,如图4.3-64.3-6所示。所示。共203页33 从上述实验可以看出,随着传输线长度的增加,沿线上传输信号的从上述实验可以看出,随着传输线长度的增加,沿线上传输信号的电压衰减增大;随着传输信号频率的增加,传输线对信号电压的衰减也电压衰减增大;随着传输信号频率的增加,传输线对信号电压的衰减也增大。增大。 信号电压随传输线的长度增加而衰减的现象,主要是由传输线的分信号电压随传输线的长度增加而衰减的现象

41、,主要是由传输线的分布电阻引起的。布电阻引起的。传输线越长,其电阻就越大,对传输信号的损耗也越大。传输线越长,其电阻就越大,对传输信号的损耗也越大。这种损耗可以通过放大器加以解决这种损耗可以通过放大器加以解决。 传输信号频率的增加对信号电压的衰减现象传输信号频率的增加对信号电压的衰减现象,主要由以下三个原因,主要由以下三个原因引起:引起: 平行双线传输线在传输较高频率信号时,会产生大量的直接辐射。平行双线传输线在传输较高频率信号时,会产生大量的直接辐射。这样使大量的电磁能量被辐射出去,只有很小部分能量得到传输。这一这样使大量的电磁能量被辐射出去,只有很小部分能量得到传输。这一电磁能量的辐射产生

42、的损耗通常用电磁能量的辐射产生的损耗通常用“封闭封闭”的方法加以解决的方法加以解决。因此,。因此,在在传传送频率较高的信号时,常常使用同轴传输线送频率较高的信号时,常常使用同轴传输线。共203页34 平行双线传输线和同轴传输线都靠电介质将两根导体隔开。在频平行双线传输线和同轴传输线都靠电介质将两根导体隔开。在频率较高时,电介质也会损耗电能。这种损耗称为率较高时,电介质也会损耗电能。这种损耗称为介质损耗介质损耗。虽然从理论。虽然从理论上说,介质上无电流流过,无电能损耗,或者说损耗很小,但当频率很上说,介质上无电流流过,无电能损耗,或者说损耗很小,但当频率很高时,介质损耗将逐渐增大。高时,介质损耗

43、将逐渐增大。 传输线上的能量损耗还来自于导体所产生的热传输线上的能量损耗还来自于导体所产生的热(I(I2 2 R) R)。在给定电。在给定电流的条件下,流的条件下,热损或铜损与导体的电阻成正比热损或铜损与导体的电阻成正比。当传输线传输射频能量。当传输线传输射频能量时,由于时,由于“集肤效应集肤效应”的作用,导体的电阻随频率的增加而增加,从而的作用,导体的电阻随频率的增加而增加,从而使使损耗增加。损耗增加。 基于上述原因,基于上述原因,同轴传输线只能传输频率为同轴传输线只能传输频率为3 GHz3 GHz以下的信号,而以下的信号,而高于高于3 GHz3 GHz的信号由波导来传输。的信号由波导来传输

44、。共203页35 2 2传输线上的行波状态和驻波状态传输线上的行波状态和驻波状态 实验二实验二 将将 实验一实验一 在在f=1.8 MHzf=1.8 MHz时测出的数值填入下表,并将信时测出的数值填入下表,并将信号产生器的频率号产生器的频率f f调回调回1.8 MHz1.8 MHz峰峰- -峰电压为峰电压为uppupp=8 V=8 V。 用短路桥替换用短路桥替换R RL L=68 =68 ,此时,此时R RL L=0 =0 ,即传输线的终端短路,即传输线的终端短路,然后分别测量然后分别测量u upp1pp1、u upp2pp2、u upp3pp3、u upp4pp4和和u upp5pp5的峰的

45、峰- -峰值电压,填人下表。峰值电压,填人下表。 拆下短路桥,此时拆下短路桥,此时R RL L=,即传输线的终端开路,然后分别测量,即传输线的终端开路,然后分别测量u upp1pp1、u upp2pp2、u upp3pp3、u upp4pp4和和u upp5pp5的峰的峰- -峰值电压,填入下表。峰值电压,填入下表。共203页36 通过上表的数值,利用描点法画出曲线,如图通过上表的数值,利用描点法画出曲线,如图4.3-74.3-7所示。所示。共203页37 (1) (1)行波状态行波状态 从图从图4.3 -74.3 -7可以看出,当可以看出,当R RL L =68 =68 时,由于传输线的特性

46、阻抗时,由于传输线的特性阻抗ZcZc =73 =73 ,因此,负载与传输线的特性阻抗基本上达到了匹配状态,因,因此,负载与传输线的特性阻抗基本上达到了匹配状态,因此,线上测出的各点峰此,线上测出的各点峰- -峰值电压基本相同。由于实际传输线上有分布峰值电压基本相同。由于实际传输线上有分布电阻存在,电阻存在,ZcZc和和R RL L。又不是完全相等,所以,从测量表中看出,沿线上。又不是完全相等,所以,从测量表中看出,沿线上的电压峰的电压峰- -峰值略有下降。峰值略有下降。 如果我们将传输线上的分布电阻忽略,并使如果我们将传输线上的分布电阻忽略,并使ZcZc =R =RL L,那么,线上各,那么,

47、线上各点的电压峰点的电压峰- -峰值将是相等的。这说明信号源的电能无损耗地传输到了峰值将是相等的。这说明信号源的电能无损耗地传输到了传输线的终端负载。通过上述分析,可以得出下列结论:传输线的终端负载。通过上述分析,可以得出下列结论: 当负载当负载RL= RL= ZcZc时,传输线上只有入射波,而没有反射波。高频信号时,传输线上只有入射波,而没有反射波。高频信号呈波浪式地向终端传播,并且电能全部传输到负载上,这种状态称为行呈波浪式地向终端传播,并且电能全部传输到负载上,这种状态称为行波状态波状态。 在行波状态,传输线上各点的电压和电流的相位相同,如果我们想在行波状态,传输线上各点的电压和电流的相

48、位相同,如果我们想把信号源的高频电能全部传输到负载上,就应该采用这种状态。把信号源的高频电能全部传输到负载上,就应该采用这种状态。共203页38 (2) (2)驻波状态驻波状态 1) 1)终端短路终端短路 当当R RL L=0=0时,传输线的终端被短路。此时,从图时,传输线的终端被短路。此时,从图4.3-74.3-7中的虚线上中的虚线上可以看到,终端电压值在可以看到,终端电压值在100 m100 m为谷值点、为谷值点、75 m75 m为峰值点、为峰值点、50 m50 m为谷值为谷值点、点、25 m25 m为峰值点、为峰值点、O mO m为谷值点。为谷值点。 可见,此时传输线上的峰可见,此时传输

49、线上的峰- -峰值电压分布与峰值电压分布与R RL L=68=68时的情形大不时的情形大不相同,出现了规律性的峰值点和谷值点的分市。这是因为当终端短路相同,出现了规律性的峰值点和谷值点的分市。这是因为当终端短路时,入射波能量没有消耗在终端负载上,而是通过终端向始端方向反射。时,入射波能量没有消耗在终端负载上,而是通过终端向始端方向反射。这样,在传输线上就出现了反射波电压。入射波电压和反射波电压在传这样,在传输线上就出现了反射波电压。入射波电压和反射波电压在传输线上进行叠加。当它们的相位相同时,相互叠加形成峰值点输线上进行叠加。当它们的相位相同时,相互叠加形成峰值点波腹;波腹;当它们的相位相反时

50、,相互叠加形成谷值点当它们的相位相反时,相互叠加形成谷值点波节。因此,沿传输线上波节。因此,沿传输线上的峰的峰- -峰值分布就这样固定下了,它总是以波腹、波节的规律变化。对于峰值分布就这样固定下了,它总是以波腹、波节的规律变化。对于固定的信号源频率来说,波腹、波节的位置是固定不变的。固定的信号源频率来说,波腹、波节的位置是固定不变的。 两个波腹、两个波节之间的距离是多大呢?通过下面简单的计算就两个波腹、两个波节之间的距离是多大呢?通过下面简单的计算就可以回答这一问题。可以回答这一问题。共203页39共203页40 如果我们把传输线理想如果我们把传输线理想化,忽略线上的分布电阻及化,忽略线上的分

51、布电阻及测量误差,就可以绘制出在测量误差,就可以绘制出在终端短路时均匀无耗传输线终端短路时均匀无耗传输线上电压和电流的分布,如图上电压和电流的分布,如图4.3 -8 (a)4.3 -8 (a)所示。所示。 显然,终端短路时,其显然,终端短路时,其终端电压的有效值终端电压的有效值U Ueffeff肯定肯定为零,而由于为零,而由于R RL L =0 =0,所以开,所以开路电流的有效值路电流的有效值I Ieffeff为最大。为最大。在图在图4.3 -8 (a)4.3 -8 (a)中,坐标中,坐标0 0点选择在传输线的终端,横点选择在传输线的终端,横轴坐标为线上各点到终端的轴坐标为线上各点到终端的距离

52、。距离。共203页41 2) 2)终端开路终端开路 当当R RL L=时,传输线的终端开路。从图时,传输线的终端开路。从图4.3-74.3-7中的实线上可以看到,中的实线上可以看到,此时终端电压值为最大此时终端电压值为最大(100 m)(100 m)峰值点、峰值点、75 m75 m为谷值点、为谷值点、50 m50 m为峰值点、为峰值点、25 m25 m为谷值点、为谷值点、OmOm为峰值点。入射波能量同样没有被消耗,而是通过终为峰值点。入射波能量同样没有被消耗,而是通过终端向始端方向反射,入射波电压和反射波电压也要在传输线上进行叠端向始端方向反射,入射波电压和反射波电压也要在传输线上进行叠加,形

53、成波腹和波节。只不过在终端开路时,线上形成的波腹、波节位加,形成波腹和波节。只不过在终端开路时,线上形成的波腹、波节位置与终端短路时不同。同样,我们忽略线上的分布电阻及测量误差,可置与终端短路时不同。同样,我们忽略线上的分布电阻及测量误差,可以画出在终端开路时均匀无耗传输线上的电压和电流的分布,如图以画出在终端开路时均匀无耗传输线上的电压和电流的分布,如图4.3 4.3 -9 (a)-9 (a)所示。显然,终端开路时,其终端电压的有效值所示。显然,终端开路时,其终端电压的有效值U Ueffeff肯定为最肯定为最大,而由于大,而由于R RL L=,所以开路电流的有效值,所以开路电流的有效值I I

54、effeff肯定为零。肯定为零。 从上述分析可以看出,从上述分析可以看出,无论是传输线的终端短路,还是终端开路,无论是传输线的终端短路,还是终端开路,传输线上的电压和电流分布都呈现出位置固定不变的波腹和波节的分布传输线上的电压和电流分布都呈现出位置固定不变的波腹和波节的分布情况情况。综上所述,可以得出如下结论:。综上所述,可以得出如下结论:共203页42 在终端短路或在终端短路或开路时,传输线上的开路时,传输线上的电压波和电流波不随电压波和电流波不随时间的推移沿传输线时间的推移沿传输线向前向前“行进行进”,而是,而是“驻留驻留”在传输线上在传输线上波波动,这种现象称为动,这种现象称为“驻波驻波

55、”。 在驻波状态,在驻波状态,传输线上的电压波与传输线上的电压波与电流波的相位差是电流波的相位差是9090。共203页43 (3) (3)驻波状态的特点驻波状态的特点 1) 1)终端短路的特点终端短路的特点 如图如图4.3 -84.3 -8所示。观察图所示。观察图4.3-8 (a)4.3-8 (a)中中n n * */4(n=l/4(n=l,3 3,5 5) )的各的各点,其电压有效值为最大,电流有效值为零,由此可以得知,这些点的点,其电压有效值为最大,电流有效值为零,由此可以得知,这些点的阻抗值应该为无穷大。这让我们联想到并联谐振电路,在并联谐振时,阻抗值应该为无穷大。这让我们联想到并联谐振

56、电路,在并联谐振时,其阻抗为无穷大;而在小于其阻抗为无穷大;而在小于/4/4的区域内,从会点向终端看,还发现电的区域内,从会点向终端看,还发现电压的相位超前于电流压的相位超前于电流9090。可见,小于。可见,小于/4/4的短路线又相当于电感,如的短路线又相当于电感,如图图4.3-8 (b)4.3-8 (b)所示。因此,可以得出如下结论:所示。因此,可以得出如下结论: /4/4的短路线相当于并联谐振,其阻抗为无穷大;小于的短路线相当于并联谐振,其阻抗为无穷大;小于/4/4的短路的短路线相当于电感线相当于电感。共203页44 2) 2)终端开路的特点终端开路的特点 如图如图4.3 -94.3 -9

57、所示。观察图所示。观察图4.3-9 (a)4.3-9 (a)中中n n* */4/4(n=1n=1,3 3,5 5)的)的各点,其电压有效值为零,电流有效值为最大,那么可以得知,这些点各点,其电压有效值为零,电流有效值为最大,那么可以得知,这些点的阻抗值应该为零。这一现象同样让我们联想到串联谐振电路,在串联的阻抗值应该为零。这一现象同样让我们联想到串联谐振电路,在串联谐振时,其阻抗为零;而在小于谐振时,其阻抗为零;而在小于/4/4的区域内,从的区域内,从/4/4点向终端看,还点向终端看,还发现电流的相位超前于电压发现电流的相位超前于电压9090。可见,小于。可见,小于/4/4的短路线又相当于电

58、的短路线又相当于电容,如图容,如图4.3-9 (b)4.3-9 (b)所示。因此,可以得出如下结论:所示。因此,可以得出如下结论: /4/4的开路线相当于串联谐振,其阻抗为零。小于的开路线相当于串联谐振,其阻抗为零。小于/4/4的开路线相的开路线相当于电容当于电容。共203页45 3 3传输线的应用传输线的应用 通过上述分析可以知道,通过上述分析可以知道,行波状态最适合用于传输信号源的能量,行波状态最适合用于传输信号源的能量,而驻波状态则完全不能传输信号源的能量而驻波状态则完全不能传输信号源的能量。我们之所以分析它,是因为。我们之所以分析它,是因为/4/4短路线和开路线的阻抗具有一定的特点,而

59、绝不是想利用这种状态短路线和开路线的阻抗具有一定的特点,而绝不是想利用这种状态来传输信号。应当记住:来传输信号。应当记住:传输信号源的能量必须采用行波状态传输信号源的能量必须采用行波状态。 但在实际导线传输线上,要想达到纯行波状态是不可能的。在实际但在实际导线传输线上,要想达到纯行波状态是不可能的。在实际传输线上,传输的电波都处传输线上,传输的电波都处于行于行- -驻波状态。因此,在驻波状态。因此,在传输线传输中引入了电压驻传输线传输中引入了电压驻波比(波比(VSWRVSWR)这一参数来衡)这一参数来衡量信号传输的有效性。量信号传输的有效性。 电压驻波比(电压驻波比(VSWRVSWR):):传

60、输线上相邻电压波腹与电传输线上相邻电压波腹与电压波节之比压波节之比,如图,如图4.3 -104.3 -10所示。所示。共203页46 式中:式中:u ur r反射波电压;反射波电压; u uf f入射波电压。入射波电压。 当当R RL L= =ZcZc时,反射电压时,反射电压urur=0=0,则,则VSWR=1VSWR=1,这就是前面讨论的行波状,这就是前面讨论的行波状态。态。 如果如果RLZcRLZc,则,则VSWR1VSWR1,此时,电波在线上的传输处于行,此时,电波在线上的传输处于行- -驻波状驻波状态。态。 当当R RL L=0=0或或R RL L = = 时,时,urur= =ufu

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