传输线理论(可编辑修改word版)

实验一：传输线理论*(TransmissionLineTheory)一.实验目的：了解基本传输线、微带线的特性。利用实验模组实际测量以了解微带线的特性。利用MICROWAVE软件进行基本传输线和微带线的电路设计和仿真。二、预习内容：熟悉微波课程有关传输线的理论知识。熟悉微波课程有关微带线的理论知识。二、实验设备:项次设备名称数量备注1MOTECHRF2000测量仪1套亦可用网络分析仪2微带线模组1组RF2KM1-1A,350QBNC连接线2条CA-1、CA-2（粉红色）41MQBNC连接线2条CA-3、CA-4（黑色）5MICROWAVE软件1套微波电路设计软件四、理论分析：（一）基本传输线理论在传输线上传输波的电压、电流信号会是时间及传输距离的函数。一条单位长度传输线的等效电路可由R、L、G、C等四个元件来组成，如图1-1所示。单位长度'单位长度'图1T单位长度传输线的等效电路假设波的传播方向为+Z轴的方向，则由基尔霍夫电压及电流定律可得下列二个传输线方程式：d2V(z)-(RG-2LC)V(z)-j(RC+LG)V(z)=0dz2d21(z)

-(RG- 2LC)I(z)-j(RC+LG)I(z)=0dz2此两个方程式的解可写成：

V(z)=V+e-Z+V-ez (1-1),I(z)=I+e-z-I-e(1-2)其中v+,v-,i+,i-分别是信号的电压及电流振幅常数，而、-则分别表示+z,-z的传输方向。Y则是传输系数(propagationcoefficient),其定义如下：TOC\o"1-5"\h\z\o"CurrentDocument"=4(R+jL)(G+jC) (1-3)而波在z上任一点的总电压及电流的关系则可由下列方程式表示:dV dI\o"CurrentDocument"石=-(R+jL-1 石=-(G+jC)-V (1-4)式(1-1)、(1-2)代入式(1-3)可得:V+=7+一G+jC一般将上式定义为传输线的特性阻抗(CharacteristicImpedance) ZO:R+jL\o"CurrentDocument"V+V-Z= = _R+jLoI+I-G+jCG+jC=j=jLC当R=G=0时，传输线没有损耗(LosslessorLoss-free)。因此，一般无耗传输线的传输系数=j=jLCC此时传输系数为纯虚数。大多数的射频传输线损耗都很小；亦即r<<3L且G<<3C。所以R、G可以忽略不计，此时传输线的传输系数可写成下列公式：(1-5)TOC\o"1-5"\h\z\o"CurrentDocument"沁j理+皿+ = +j(1-5)(RY+GZ)200式(1-5)中与在无耗传输线中是一样的，而a定义为传输线的衰减常数(AttenuationConstant)(RY+GZ)200=v'LC|2〔兀=j '=v'LC|2〔兀C丿其中Y0定义为传输线的特性导纳(CharacteristicAdimttance),其公式为:Y=1oZO(二)负载传输线(TerminatedTransmissionLine)(A)无损耗负载传输线(TerminatedLosslessLine)考虑一段特性阻抗为Zo的传输线，一端接信号源，另一端则接上负载，如图1-2所示。并假设此传输线无耗，且其传输系数Y=jb，则传输线上电压及电流方程式可以用下列二式表示：V(Z)—V+e-Z+V-ez ，I(z)—I+e-z-I-ez/\y)GeneratorV++V-V(z)=V^ez+Vez7Uz=z z=-L zz=0图1-2接上负载的传输线电路(1)若考虑在负载端(z=0)上，则其电压及电流为：V=V=V++V- (1-6)L1=IL=1+-/一(1-7)而且ZI+o二V+,Z1-=V-，式(1一7)可改写成:o1=__(V+-V-)Z(1-8)合并式(1-6)及(1-8)可得负载阻抗(LoadImpedance)：VV++V-\o"CurrentDocument"Z——L—Z( )LI o'V+-V-L

定义归一化阻抗(NormalizedLoadImpedance)：\o"CurrentDocument"z 1+rZ—Z—L— L_LLZ 1-ro L、当ZL=ZO时，贝rL=0时，此状况称为传输线与负载匹配Matched)。

(2)若考虑在距离负载端L(z=-L)处，即传输线长度为L。则其反射系数r(L)应改成:V+ejl而其输入阻抗则可定义为:

-e-j2l=r-e-j2l+ LZ=Zz+jZtan(L)TOC\o"1-5"\h\zL o—inoz+jZtan(L)由上式可知：(a)由上式可知：(a)(b)(c)当L弓oo时,Z弓Z.in o当L=入/2时,Z.=Zin L.当L=入/4时，Z.=Z2/Zino L・(B)有耗负载传输线(TerminatedLossyLine)若是考虑一条有耗的传输线，则其传输系数 Y=a+j"为一复数。所以,反射系数r(l)应改成:r(l)=r-e-2L-j2LL而其输入阻抗则改成为：Z=ZZ+jZtanh(L)L o—加oZ+jZtanh(L)o L(三)微带线理论(MicrostripLine)实际使用的传输线有许多种类，常见的有同轴线、微带线、条线、平面波导、波导等，而其中又以微带线最常见于射频电路设计上。所以，本单元便以介绍微带线为主。微带线的结构如图1-8所示，而其相关设计参数如下所列。WW图1-8微带线的结构(1)基板参数(SubstrateParameters)基板介电常数 (Dielectricconstant)，£r常见的基板有Teflon(er=2.2)，FR4(er=4〜5)‘Alumina(er=10)损耗正切(Tangentdielectricloss)，tand8基板高度(Height)，h

基板导线金属常见有铜（Copper）、金（Gold）、银（Silver）、锡（Sn）、铝（Al）。基板导线厚度（Thickness）,t（2） 电特性参数：（Electricalparameters）特性阻抗Zo、波长（角度）。、使用主频率fo（3） 微带线参数（MicrostripParameters）宽度（width）W长度（Length）L单位长度衰减量（Unit-lengthAttenuation）,AdB相关计算公式如下：（A） 合成公式SynthesisFormula）（已知传输线的电特性参数（ZO、&），求出相对微带线的物理性参数W、L、AdB）dBwet十—KIIifwehe<—wet十—KIItwe十—K十ln|2-hhifwetwe十—K十ln|2-hhifwe2•兀2•兀AdBac十ad其中，119.91£1r119.91£1r•—£r+1d£_Z59.95,we=H we=H \TieH 1h・一 8 牛eH；ifZo>£effm2•[d<兀厂X-ln：2•%-£effm2•[d<兀厂X-ln：2•%-11£11-—• 2H£ 1£r"~1十 1j1 10..■hh「0.555we/-D十0.2930.517ifZor44-2trjifZo<44-2・£rifZo<；44-2吒rc

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&rcr三2.73•—£%ff-1fo・&rcr三2.73•—£%ff-1fo・•tanS2000 兀•fo•卩 1ac三 • • ln(10)』o 2・兀•fo•Zo£r+1££r+1£r十11- 2•兀•£r7r品 •ln一+一•lnifw_3.3•hifw<ifw_3.3•hifw<3.3•h其中，£r十1££r十1£r十1[1丄上2H£r+1+二]-10£厂1ln(4)\-2ifZo汀44_2•£rifZo<f44_2•£r九o九e三-e仁五、硬件测量：(模组编号：RF2KM1-1A)测量开路传输线(MOD-1A)，短路传输线MOD-1B),50Q微带线(MOD-10,适用频率均为50-500MHZ。准备好实验用的器件和设备，以及相关软件。测量步骤：⑴MOD-1A的S11测量：设定频段BAND-3对模组P1端子做S11测量,并将测量结果记录在表(1-1)。⑵MOD-1B的S11测量：设定频段BAND-3对模组P2端子做S11测量,并将测量结果记录在表(1-2)。

⑶MOD-1C的S11测量：设定频段BAND-3；对模组P3端子做S11测量，并将测量结果记录在表（1-3）。⑷MOD-1C的S21测量：设定频段BAND-3；对模组P3及P4端子做S21测量，并将测量结果记录于表（1-4）。4、实验记录：表1-1，1-2，1-3，1-4的格式均为下面此表5.硬件测量的结果建议如下为合格MOD-1AS11±-1dBMOD-1BS11±-1dB（推荐）MOD-1CS11W-15dBMOD-1CS21±-0.5dBMOD-1E6.测试模组方框图:MOD-1EM0D-1AFLZO

F5FLZO

F5Mcm-icF3E：□欧六、软件仿真1、进入微波软件MICROWAVE。2、 在原理图上设计好相应的电路，设置好,P2,P3,P4端口（如果需要的话）,完成频率设置、尺寸规范、器件的加载、仿真图型等等的设置。3、 最后进行仿真，结果应接近实际测量所得到的仿真图形。4、 电路图（推荐以下）

13EJF—75OliiLLRESID-PAPKSTD=K2附15OhmBORTF亠13EJF—75OliiLLRESID-PAPKSTD=K2附15OhmBORTF亠2?Z=50UhmPDE.TP-1-Z—59O11LLLPvIE丁TATL-199nH图1-9单位长度传输线的等效电路七、实例分析：(一)计算负载为50Q的无损耗传输线(ZO=75ohm，&=3Oof°=900MHz)的特性。反射系数rL，回波损耗RL，电压驻波比VSWR

输入阻抗Zin，输入反射系数r.基板为FR4的微条线宽度W、长度L及单位损耗量AdB基板参数:基板介电常数(Dielectricconstant)，sr=4.5切线损耗(Tangentdielectricloss),tandd=0.015基板高度(Height)，h=62mil基板导线金属(ConductionMetal)，铜(Copper)基板导线厚度(Thickness)，t=0.03mm解：(1)反射系数解：(1)反射系数厂Z-Z丄=LoLZ+ZLo

反射损耗50-75=-0.250+75RL=20log(厂］)=-13.98dBL电压驻波比1+r=1.5vswr二 =1.51-r(2)L(2)输入阻抗Zin=(58+j20)Q=ZZ+jZZin=(58+j20)QTOC\o"1-5"\h\zL ooZ+jZtan()o L输入反射系数r二rejd二0.2•ej(i80-60)oin d(3)微带线参数W=l・38mm，L=15.54mm，AdB=0-0057dB/m八、mathcad分析：除microwave软件以外，