微波技术与天线2

1、传输线的分布参数效应传输线的分布参数效应微波技术与天线微波技术与天线-传输线理论传输线理论传输线方程传输线方程传输线的一些参量传输线的一些参量传输线的工作状态传输线的工作状态传输线的阻抗匹配传输线的阻抗匹配电磁波的三种传输模式电磁波的三种传输模式微波技术与天线微波技术与天线-传输线理论传输线理论TE波：传播方向上，不存在电场矢量TM波：传播方向上，不存在磁场矢量TEM波： 电场矢量和磁场矢量均垂直于电磁波的传播方向 传输线有长线和短线之分。所谓长线是指传输线的几何长度与线上传输电磁波的波长比值(电长度)大于或接近1，反之称为短线。微波技术与天线微波技术与天线-传输线理论传输线理论传输线的分布参

2、数效应传输线的分布参数效应 短线集中参数电路 长线分布参数电路传输线的分布参数效应传输线的分布参数效应微波技术与天线微波技术与天线-传输线理论传输线理论 信号频率很低时，电流从电路始端至终端的时间远小于电磁波的一个周期，在稳态的情况下，可以认为电流是同时建立起来的，大小和相位与空间位置无关 信号频率升高后，电场能量和磁场能量的分布空间很难分开： 集肤效应和传输损耗分布电阻效应 导线周围分布的高频磁场分布电感效应 导线周围分布的高频电场分布电容效应 导线周围绝缘不好存在漏电分布电导效应传输线的分布参数效应传输线的分布参数效应微波技术与天线微波技术与天线-传输线理论传输线理论均匀无耗长线的定义 均

3、匀长线是指沿线的分布参数R、L、C、G均为常量的长线 均匀无耗长线：均匀长线、R=0、G=0微波技术与天线微波技术与天线-传输线理论传输线理论传输线坐标系传输线坐标系传输线方程传输线方程),(tzu),(tzzuzLZgZgEZ0),(tzzi),(tzi1*Lz微波技术与天线微波技术与天线-传输线理论传输线理论传输线等效电路传输线等效电路1*Cz),(tzu),(tzi),(tzzi),(tzzu传输线方程传输线方程微波技术与天线微波技术与天线-传输线理论传输线理论传输线方程的解传输线方程的解)cos()cos(),(),(),(BAztBztAtzutzutzu)cos()cos(),()

4、,(),(00BAztZBztZAtzitzitzi式中式中Z0Z0为特性阻抗，为特性阻抗，11CL传输线的特性参量传输线的特性参量微波技术与天线微波技术与天线-传输线理论传输线理论描述的是传输线上单向波的传输特性 特性阻抗、相波长、相移常数、相速度特性阻抗特性阻抗:传输线上入射波电压和入射波电流之比110CLZ 无耗均匀传输线传输线的特性参量传输线的特性参量1pv微波技术与天线微波技术与天线-传输线理论传输线理论 相速度相速度： 传输线上单向波的等相位面行进的速度21zzp微波技术与天线微波技术与天线-传输线理论传输线理论相波长和相移常数相波长和相移常数相波长：同一时刻传输线上单向波的相位相

5、差2*pi的两点间的距离2)()(21AAztzt传输线的特性参量传输线的特性参量p2相移常数：单位长度传输线上单向波的相位变化值传输线的工作参量传输线的工作参量LinZzZ)2(微波技术与天线微波技术与天线-传输线理论传输线理论 描述传输线上的发射情况输入阻抗、反射系数、驻波比输入阻抗输入阻抗:传输线上合成波的电压和电流之比ZLZinzZin(z)LinZZzZ20)4(传输线的工作参量传输线的工作参量zjLLeZZZZz200)(微波技术与天线微波技术与天线-传输线理论传输线理论反射系数反射系数: 传输线上任一点反射波的电压和入射波的电压之比传输线的工作参量传输线的工作参量11微波技术与天

6、线微波技术与天线-传输线理论传输线理论驻波比驻波比: 沿线合成波波腹点电压振幅与波节点电压振幅之比传输线的工作状态传输线的工作状态微波技术与天线微波技术与天线-传输线理论传输线理论 对于无耗传输线, 负载阻抗不同则波的反射也不同; 反射波不同则合成波不同; 合成波的不同意味着传输线有不同的工作状态。 归纳起来, 无耗传输线有三种不同的工作状态: 行波状态 驻波状态 行驻波状态传输线的工作状态传输线的工作状态行波状态行波状态)cos(),(AztAtzu微波技术与天线微波技术与天线-传输线理论传输线理论 行波状态就是无反射的传输状态, 此时反射系数l=0, 而负载阻抗等于传输线的特性阻抗, 即Z

7、l=Z0, 也可称此时的负载为匹配负载。 传输线上电压、电流瞬时表达式为)cos(),(0AztZAtzi传输线的工作状态传输线的工作状态行波状态行波状态微波技术与天线微波技术与天线-传输线理论传输线理论 对于无耗传输线, 行波状态下的结论： 沿线电压和电流振幅不变, 驻波比=1; 电压和电流在任意点上都同相; 传输线上各点阻抗均等于传输线特性阻抗。 信号源输入的功率全部被负载吸收，即能有效的传输功率。传输线的工作状态传输线的工作状态驻波状态驻波状态微波技术与天线微波技术与天线-传输线理论传输线理论纯驻波状态就是全反射状态, 也即终端反射系数|l|=1负载阻抗： 短路（负载阻抗为0） 开路（负

8、载阻抗为） 纯电抗（负载阻抗为jX）传输线的工作状态传输线的工作状态驻波状态驻波状态微波技术与天线微波技术与天线-传输线理论传输线理论3 / 4 / 2 / 43 / 4 / 2 / 43 / 4 / 2 / 4OzzzOZin(a)(b)UI终端短路情况终端短路情况传输线的工作状态传输线的工作状态驻波状态驻波状态微波技术与天线微波技术与天线-传输线理论传输线理论 对于无耗传输线, 终端短路时，驻波状态下的特点： 沿线各点电压和电流振幅按余弦变化,电压和电流相位差90度,功率为无功功率,即无能量传输; 在z=n/2(n=0, 1, 2, )处电压为零, 电流的振幅值最大且等于2|A1|/Z0,

9、 称这些位置为电压波节点, 在z=(2n+1)/4 (n=0, 1, 2, )处电压的振幅值最大且等于2|A1|, 而电流为零, 称这些位置为电压波腹点; 传输线的工作状态传输线的工作状态驻波状态驻波状态微波技术与天线微波技术与天线-传输线理论传输线理论 传输线上各点阻抗为纯电抗, 在电压波节点处Zin=0, 相当于串联谐振, 在电压波腹点处|Zin|, 相当于并联谐振, 在0z/4内, Zin=jX相当于一个纯电感, 在/4z/2内, Zin=-jX相当于一个纯电容，从终端起每隔/4阻抗性质就变换一次, 这种特性称为/4阻抗变换性。传输线的工作状态传输线的工作状态驻波状态驻波状态微波技术与天

10、线微波技术与天线-传输线理论传输线理论特点：沿线各点电压、电流在时间和空间上相差均为/2输入阻抗表现为纯电抗特性传输线在驻波状态下不能传输功率传输线的工作状态传输线的工作状态行驻波状态行驻波状态微波技术与天线微波技术与天线-传输线理论传输线理论 当微波传输线终端接任意复数阻抗负载时, 由信号源入射的电磁波功率一部分被终端负载吸收, 另一部分则被反射, 因此传输线上既有行波又有驻波, 构成混合波状态, 故称之为行驻波状态。传输线的工作状态传输线的工作状态行驻波状态行驻波状态微波技术与天线微波技术与天线-传输线理论传输线理论 当微波传输线终端接任意复数阻抗负载时, 由信号源入射的电磁波功率一部分被

11、终端负载吸收, 另一部分则被反射, 因此传输线上既有行波又有驻波, 构成混合波状态, 故称之为行驻波状态。传输线的工作状态传输线的工作状态Z微波技术与天线微波技术与天线-传输线理论传输线理论 无耗传输线上距离为4的任意两点处阻抗的乘积均等于传输线特性阻抗的平方, 这种特性称之为/4阻抗变换性。 LinZZzZ20)4(阻抗匹配阻抗匹配Z微波技术与天线微波技术与天线-传输线理论传输线理论 阻抗匹配具有三种不同的含义,分别是负载阻抗匹配、源阻抗匹配和共轭阻抗匹配,它们反映了传输线上三种不同的状态。 1) 负载阻抗匹配 负载阻抗匹配是负载阻抗等于传输线的特性阻抗的情形, 此时传输线上只有从信源到负载

12、的入射波, 而无反射波。匹配负载完全吸收了由信源入射来的微波功率; 而不匹配负载则将一部分功率反射回去, 在传输线上出现驻波。阻抗匹配阻抗匹配Z微波技术与天线微波技术与天线-传输线理论传输线理论 当反射波较大时, 波腹电场要比行波电场大得多, 容易发生击穿, 这就限制了传输线能最大传输的功率, 因此要采取措施进行负载阻抗匹配。负载阻抗匹配一般采用阻抗匹配器。 2) 源阻抗匹配 电源的内阻等于传输线的特性阻抗时, 电源和传输线是匹配的, 这种电源称之为匹配源。对匹配源来说, 它给传输线的入射功率是不随负载变化的, 负载有反射时, 反射回来的反射波被电源吸收。可以用阻抗变换器把不匹配源变成匹配源,

13、 但常用的方法是加一个去耦衰减器或隔离器, 它们的作用是吸收反射波。 阻抗匹配阻抗匹配Z微波技术与天线微波技术与天线-传输线理论传输线理论3) 共轭匹配 对于不匹配电源, 当负载阻抗折合到电源参考面上的输入阻抗为电源内阻抗的共轭值时, 即当Zin=Z*g时, 负载能得到最大功率值。通常将这种匹配称为共轭匹配。 阻抗匹配阻抗匹配Z微波技术与天线微波技术与天线-传输线理论传输线理论阻抗匹配的方法 对一个由信源、传输线和负载阻抗组成的传输系统希望信号源在输出最大功率的同时，负载全部吸收, 以实现高效稳定的传输。因此一方面应用阻抗匹配器使信源输出端达到共轭匹配, 另一方面应用阻抗匹配器使负载与传输线特性阻抗相匹配。 匹配器1匹配器2ZlEgZ0Zg同轴线同轴线微波技术与天线微波技术与天线-传输线理论传输线理论同轴线同轴线微波技术与天线微波技术与天线-传输线理论传输线理论 内、外半径分别为a和b, 填充介质的磁导率和介电常数分别为和。同轴线是微