微波传输线教材课件

第三章微波传输线导波系统中的电磁波按纵向场分量的有无，可分为以下三种波型(或模)：(1)横磁波(TM波)，又称电波(E波)：(2)横电波(TE波)，又称磁波(H波)：(3)横电磁波(TEM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。第三章微波传输线导波系统中的电磁波按纵向场分量的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，其传播主模为TEM模

3.1.1平行双线传输线一、结构二、特性参数1、特性阻抗单位长度分布电感：单位长度分布电感：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则平行双线特性阻抗：当平行双线周围介质为空气时：即：平行双线的特性阻抗与双线间距及导线半径有关。一般2、传播相速假设平行双线损耗极小可忽略不计，则传播常数为双线周围介质参数则平行双线特性阻抗：当平行双线周围介质为空气时：3.1.2同轴线一、结构由内、外同轴的两导体柱构成内外导体间填充介质包括硬、软两种结构

TEM模传输线二、特性参数1、特性阻抗单位长度分布电感：单位长度分布电感：3.1.2同轴线一、结构由内、外同轴的两导体柱构成衰减最小时的特性阻抗讨论为内外导体尺寸比值的函数。要使衰减最小，则要求即当内外导体尺寸比值为3.6时，同轴线衰减最小，此时工程上常用同轴线特性阻抗：50Ω（填充聚苯乙烯）和75Ω（无填充材料）同轴线的损耗由导体损耗和介质损耗引起（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：衰减最小时的特性阻抗讨论为内外导体尺寸比值的函数。要使衰减最2、传播相速假设同轴线损耗极小可忽略不计，其相速为填充介质参数2、传播相速假设同轴线损耗极小可忽略不计，其相速为填充介质参3-2微带传输线一、结构平面结构,可实现微波电路的集成化体积小、重量轻、可靠性高、性能优越、一致性好、成本低3-2微带传输线一、结构平面结构,可实现微波电路二、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,则微带线所传输的波已非标准的TEM波,而必然存在纵向分量Ez和Hz。当频率不很高时,由于微带线基片厚度h远小于微带波长,此时纵向分量很小,其场结构与TEM模相似,因此一般称之为准TEM模。故微带线传输主模：准TEM模三、微带线传输特性由传输线理论，如忽略微带传输线损耗，则有1、特性阻抗L0和C0分别为微带线单位长分布电感和长分布电容。二、微带线传输主模微带线可视作由双导体系统演化而来2、微带线等效介电常数空气填充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。设空气填充微带线单位长度分布电容为C0,介质填充微带线单位长度分布电容为C1,则空气微带线传播相速：介质微带线传播相速：2、微带线等效介电常数空气填充微带线全介质填充微带线很明显引入微带线等效介电常数设空气微带线特性阻抗为，则实际微带线特性阻抗为只要求得空气微带线的特性阻抗及有效介电常数,就可求得介质微带线的特性阻抗。引入微带线等效介电常数设空气微带线特性阻抗为，则工程上常用的一组实用经验公式:(1)导带厚度为零时w：导带宽度h：基片厚度(2)导带厚度不为零时仍采用上式计算，但对微带线形状比参数要进行修正。工程上常用的一组实用经验公式:w：导带宽度(2)导带厚3、微带线波导波长微带线的波导波长与有效介电常数有关,即与微带线结构有关。对同一工作频率,不同的微带线有不同的波导波长。4、微带线衰减常数微带线是半开放结构,除有导体损耗和介质损耗外,还有一定的辐射损耗。1）选择表面电阻率很小的导体材料（如金、银、铜）；2）提高微带线加工工艺（增加导带厚度到为5~8倍的趋肤深度，尽量降低导体粗糙度到在微米量级以下）。a、降低导体的损耗的措施3、微带线波导波长微带线的波导波长与有效介电常数选用介电常数较大的基片，并使导带宽度W大于介质厚度h（频率较低时，电磁场被限制在微带线附近，辐射损耗小）。b、减小辐射损耗的措施一般情况下,微带线介质衰减远小于导体衰减,可忽略。c、介质损耗5、微带线色散效应当工作频率较高时（>5GHz),微带线中由TE和TM模组成的高次模使特性阻抗和相速随着频率变化而变化,从而具有色散特性。选用介电常数较大的基片，并使导带宽度W大于介质厚度h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TEM模以外，还会出现高次模。当微带线的尺寸w和h给定时，最短工作波长只要同时满足就可保证微带线中主要传输TEM模。

限制TE高次模限制TM高次模限制表面波高次模四、微带线的尺寸设计考虑当工作频率提高后，微带线中3-3矩形波导

矩形波导是横截面为矩形的空心金属管可避免外界干扰和辐射损耗导体损耗低功率容量大一、结构二、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，不能传输TEM波，只能传输TE波或TM波。1、TE波(Ez=0)由纵向场法，可求得矩形波导内TE波电磁场各分量表示式为：3-3矩形波导矩形波导是横截面为矩形的空心金属管一、结说明：

m和n分别代表场强沿x轴和y轴方向分布的半波数。一组m,n值代表一种横电波波型。矩形波导存在等波型，但不存在波形说明：2、TM波(Hz=0)m和n分别代表场强沿x轴和y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。矩形波导不存在等波型2、TM波(Hz=0)m和n分别代表场强三、矩形波导中电磁波型的传输特性1、传播常数由矩形波导场分布表达式，有式中：为对应模式的截止波数；为工作频率自由空间波数；为对应模式的传播常数；由传播常数概念，可知：对应模式为形波传播对应模式迅速衰减截止传播与截止临界状态三、矩形波导中电磁波型的传输特性1、传播常数由矩形波导场分布截止频率：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时），该模式的电磁波方可在矩形波导内传播——高通特性2、截止频率与截止波长截止波长：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当波导尺寸a和b给定时，将不同m和n值代入，即可得到不同波型的截止波长。BJ-100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：1、TE10模的截止波长最长——主模2、存在某些不同模式具有相同截止波长的情况——简并模式截止区单模区多模区当波导尺寸a和b给定时，将不同m和n值代入，即可得到3、相速与波导波长波导波长式中：为无界空间中的相速为无界空间中的波长3、相速与波导波长波导波长式中：为无界空间中的相速为无（1）矩形波导工作主模为TE10模，因为TE10模可实现单模传输（2）当工作频率一定时传输TE10模的波导尺寸最小（3）若波导尺寸一定，则实现单模传输的频带最宽四、矩形波导中主模TE10模1、TE10模场分布TE10模的场分量表达式为（1）矩形波导工作主模为TE10模，因为TE10模可实现单模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TE10模的三维场分布图壁电流分布图矩形波导横截面上的场分布矩形波导纵剖即

当工作波长给定时，若要实现TE10单模传输，则波导尺寸必须满足为了实现TE10单模传输，则要求电磁波的工作波长必须满足下列条件2、TE10模截止波长与截止频率3、矩形波导单模工作条件即3-6圆波导圆波导是横截面为圆形的空心金属管圆波导具有损耗较小和双极化的特性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一、结构二、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为TE11、TE01和TM01模。1、TE11模()圆波导中TE11模截止波长最长——主模3-6圆波导圆波导是横截面为圆形的空心金属管一、结构二横截面上电磁场分布纵剖面上电场分布壁电流分布2、TM01模()横截面上电磁场分布纵剖面上电场分布壁电流分布电场磁场电场磁场横截面上电磁场分布纵剖面3、TE01模()TM01模场结构为旋转对称结构，因此适用于微波天线馈线旋转铰链的工作模式。TM01模具有Ez分量，便于和电子交换能量，可作电子直线加速器的工作模式。横截面上电磁场分布纵剖面上电场分布壁电流分布TE01模常为高Q谐振腔和远距离毫米波传输工作模式。另外由于它是圆电模，也是连接元件和天线馈线系统的工作，但须设法抑制其它模式。电场磁场3、TE01