第8章-1 双导体传输线同轴线

18.1

均匀传输线理论8.2

双线传输线的阻抗与状态参量8.3同轴线的特性阻抗第8章双导体传输线－TEM波传输系统返回主目录2均匀传输线理论

微波传输线：用以传输微波信息和能量的各种形式的传输系统,它的作用是引导电磁波沿一定方向传输,因此又称为导波系统,其所导引的电磁波被称为导行波。截面、媒质分布、材料及边界条件均不变的导波系统称为规则导波系统,又称为均匀传输线。导行波传播的方向称为纵向,垂直于导波传播的方向称为横向。无纵向电磁场分量的电磁波称为横电磁波，即TEM波。传输线本身的不连续性可以构成各种形式的微波无源元器件,这些元器件和均匀传输线、有源元器件及天线一起构成微波系统。2023/2/13导行波波型的分类1.横电磁波(TEM波)此传输模式没有电磁场的纵向场量，即Ez=Hz=0。2.横电波(TE波)或磁波(H波)

此波型的特征是Ez=0,Hz≠0，所有的场分量可由纵向磁场分量Hz求出。3.横磁波(TM波)或电波(E波)

此波型的特征是Hz=0，Ez≠0，所有的场分量可由纵向电场分量Ez求出。4

微波传输线大致可以分为三种类型。第一类是双导体传输线,由两根或两根以上平行导体构成,其传输的电磁波是横电磁波（TEM波）或准TEM波,故又称为TEM波传输线,主要包括平行双线、同轴线、带状线和微带线等。双导线随着工作频率的升高，其辐射损耗急剧增加，故双导线仅用于米波和分米波的低频段。微带线可采用印刷电路制作技术，在微波集成电路中得到广泛利用。同轴线没有电磁辐射，工作频带很宽。第二类是均匀填充介质的金属波导管,因电磁波在管内传播,故称为波导,主要包括矩形波导、圆波导、脊形波导和椭圆波导等,如图所示，TE/TM模。5波导是用金属管制作的传输线，电磁波在管内传播，损耗很小，主要用于3GHz一30GHz的频率范围。第三类是介质传输线,因电磁波沿传输线表面传播,故称为表面波波导,主要包括介质波导、镜像线和单根表面波传输线等,如图所示，例如光纤。混合模。6介质波导主要用于毫米波到光波波段，光纤就是介质波导。7

均匀传输线分析:一种是场分析法,即从麦克斯韦方程出发,求出满足边界条件的波动解，分析传输特性;

第二种是等效电路法,即从传输线方程出发,求出满足边界条件的电压、电流波动方程的解,得出沿线等效电压、电流的表达式,进而分析传输特性。前一种方法较为严格,但数学上比较繁琐,后一种方法实质是在一定的条件下“化场为路”,有足够的精度,数学上较为简便,因此被广泛采用。本章从“化场为路”的观点出发,建立传输线方程,导出传输线方程的解。88.1导行电磁波传播模式及其传播特性该无源，将上式代入如下的麦克斯韦方程组时谐电磁波沿z轴传播，均匀导波系统：得到关于三个分量的6个标量方程，及场量间的关系：2023/2/19横向场分量与纵向场分量的关系10对于TEM波，因为Ez

=0，Hz

=0，所以1.TEM波其波阻抗及相速度分别为11代入波动方程对于TEM波TEM波在横截面上的电磁场分布满足拉普拉斯方程，因此横截面上的电磁场特性与静态场一样。所以，导行波的场可用二维静态场分析法求出。TEM波只能在建立静态场的多导体导波系统中传播，而不能在单导体导波系统中传播。12

假设单导体波导中能够传播TEM波，由于磁感线完全在横截面内，而且是闭合线在理想介质波导中没有纵向的传导电流和位移电流与麦克斯韦第一方程矛盾2.TM波TM波，Ez0，Hz=013其波阻抗为3.TE波TE波，Ez=0，Hz

014其波阻抗为

在导波情况下，波阻抗不仅与导波系统填充媒质的参数有关，还与导波频率有关，而且不同的波型，波阻抗也不同。15+-+I-8.2平行双线传输系统电报方程161.特性阻抗代入：电压和电流波动方程172.理想双线传输线的反射系数0zlZlz=0处的反射系数：传播速度及波长:18利用反射系数为z＝l处的反射系数负载指向波源端z＝－l处的反射系数为

当电压最大时电流最小，或反之；相邻最大值之间的距离为λ/2，相邻最大值与最小值之间的距离为λ/4。193.理想双线传输线中波的输入阻抗z=-l

处的输入阻抗：驻波系数：20+-+I-电报方程特性阻抗z=-l

处的输入阻抗：211)终端负载等于特性阻抗时的入端阻抗特点

沿线各点入端阻抗等于特性阻抗，与线长无关，这种情况称为传输线匹配。4.不同负载下传输线段的性质及应用222）终端短路：ZL＝0：0zlZlZin23特点:入端阻抗具有纯电抗性质2425

实际应用中可用的无损短路线等效替代一个电感。

用等于四分之一波长的奇数倍的短路线，阻抗无穷大，作为理想的并联谐振电路。二分之一波长的整数倍的短路线，阻抗为零，作为理想的串连谐振电路。UI263）终端开路：ZL＝：27特点:入端阻抗具有纯电抗性质2829

实际应用中可用的无损开路线等效替代一个电容。

用等于四分之一波长的奇数倍的开路线，阻抗为零，作为理想的串联谐振电路。二分之一波长的整数倍的开路线，阻抗无穷大，作为理想的并联谐振电路。304）/4阻抗变换器l=/4输入阻抗与ZL互为倒数关系。称为/4阻抗变换器31当l＝/2或l＝n/2时特点

负载阻抗经过/2无损耗传输线变换到输入端后仍等于其本来的阻抗，说明传输线上的阻抗分布具有/2的周期性。5）/2

线段的入端阻抗5.双线传输线的电磁场分布双线传输线的电压、电流与电场、磁场之间的关系32ET、HT为TEM波的横向分量，U为两导线之间（M与N点）的电压338.3同轴线

同轴线的结构与坐标348.3.1同轴线主模TEM波的性质1.同轴线中的场方程该方程的一般解为:

边界条件35同轴线中TEM波的横向场分量为式中E0是电场的振幅，η是TEM波的波阻抗。电报方程362.传输参数

设同轴线内、外导体之间的电压为U(z)，内导体上的轴向电流为I(z)，则由特性阻抗的定义可知其特性阻抗ZC为37其相移常数β和相速vp分别为(c=光速)其波导波长(相波长)为383.传输功率与衰减设z=0时，内、外导体之间的电压为U0，398.3.2同轴线中的高次模对于同轴线内的TE或TM高阶模来说，其截止波数kc所满足的方程都是超越方程，严格求解是很困难的，一般采用近似的方法得到其截止波长的近似表达式。对于TM波，最低波型为TM01，其截止波长λc(E01)=2(b-a)。当m≠0、n=1时，对于TE波，其截止波长为40TE11最低波型为H11，其截止波长为在m=0时，TE01模的截止波长为8.3.3同轴线尺寸的选择1.保证同轴线中单模(TEM)传输为了保证在同轴线中只传输TEM波，其工作波长与同轴线尺寸的关系应满