微波技术长线理论

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第二章 长线理论,长线理论(传输线理论)又称一维分布,参数电路理论,，,是微波电路设计和计算,的理论基础。,本章从“路”的观点出发，研究微波,传输线的基本传输特性，讨论用,SMITH,园图进行计算和阻抗匹配的方法。,第一节 传输线的基本概念,一、传输线及其种类,传输线,用来传输电磁能量的装置。,由传输系统引导，向一定方向传播的电磁波,称为,导行波,。,微波传输线与低频传输线的不同点：,1.微波传输线种类繁多,按其所传输的导行波型可分为三大类：,(1),TEM,波,(,包括准,TEM,波,),传输线,图2-1,TEM,波传输线,(,a),平行双导线 (,b),同轴线 (,c),带状线 (,d),微带,属双导体系统，其频带宽，但在高频段传输电磁,能量损耗较大。,(2),金属波导传输线,其传输模为,TE、TM,波。,图2-2 波导传输线,(,e),矩形波导,(,f),圆形波导 (,g),脊形波导 (,h),椭圆波导,属单导体传输系统，又称色散波传输线。具有,损耗小、功率容量大、体积大、频带窄等特点。,(3),表面波传输线,图,2-3 表面波传输线,(,i),介质波导 (,j),镜像线 (,k),单根表面波传输线,主要用于传输表面波,电磁能量沿传输线的表面传,输。具有结构简单、体积小、功率能量大等优点。,2,.,微波传输线不仅能传输电磁能量,还可用来,构成各种微波元件,(如谐振腔、滤波器、阻抗匹配,器、定向耦合器等)。这与低频传输线截然不同。,当传输线的横向尺寸比信号波长小得多、而,轴向尺寸(即长度)远比信号波长大时,可将传输线,看成一维分布参数电路。,本章讨论的是指,传输,TEM,波的传输线,，可用,双导线模型,进行分析。,二、分布参数概念,1.,长线与短线,相对长度,l/,称为传输线的,电长度,。,通常，,当,：,l/,0.05 ,即,几何长度与工作波长可比拟或更长的称为,长线,；,l/,0.05 ,即,几何长度与工作波长相比可忽略不计的为,短线,。,例如：,传输3,GHz(=10cm),的同轴线,l,=0.5m,输送市电的电力传输线(,f=50Hz,=6000 km)，,长达几千米，,为,长线。,为,短线。,图 2-4 电 流(电 压)沿 线 分 布 图,用图2-4所示线上电压(或电流)随空间位置分布状况来说明长、短线的区别:,图(,a),为半波长的波形图,AB,l,为“短线”，,某一时刻,AB,上各点的电压(电流)的大小和相位,几乎不变。,图(,b),高频波形图，虽线段长仍,为,AB，,但在,某一瞬间，其上各点的电压(或电流)的大小和,相位均有很大的变化，此时的,AB,应视为“长线”。,显然，微波传输线属于“长线”的范畴，,故本章称为,“长线理论”，即微波传输线,基本理论。,2.,分布参数与分布参数电路,长线和短线的区别还在于：,长线为分布参数电路,短线为集中参数电路。,低频电路中,电路元件参数(,R、L、C),基本上,都集中在相应的元件(电阻、电感器、电容器)中，,称为集中参数。,电路中还存在着元件间连线的电阻、电感和,导线间的电容等，称为分布参数。,低频电路中,分布参数的量值与集中参数相比，,微乎其微,可忽略不计。低频传输线为短线,在电,路中只起连接线作用。,低频电路为集中参数电路。,高频信号通过传输线时会产生以下分布参数：,导体周围,高频磁场,串联分布电感,；,两导体间,高频电场,并联分布电容,；,导线,有限,，,高频电流趋肤效应,分布电阻,；,导体间,非理想绝缘,漏电,并联分布电导,。,当双导线工作在微波波段时，分布参数的影响,不容忽视。,例：设双导线,的,分布电感,L,0,=0.999nH/mm,，,分布电容,C,0,=0.0111pF/mm,;,工作在,f=,50Hz,时引入的,串联电抗、,并联导纳：,X,L,f=50Hz,=L=2f,L,0,=31410,-3,/mm,Bc,f=50Hz,=C=2f,C,0,=3.4910,-12,S/mm,当频率升到,5000,MHz,时：,X,L,f=5000MHz,=L=2f,L,0,=31.4 /mm,Bc,f=5000MHz,=2f,C,0,=3.4910,-4,S/mm,后者是前者的一亿倍，其分布参数效应不容,忽视。,微波传输线,其电路参数(,R、L、C、G),及,电路物理量(,u、i)，,都是沿线分布的(是,z，t,的,函数)，称之为分布参数电路，必须用传输线理,论来研究。,三、均匀传输线及其等效电路,传输线上处处存在分布电阻、分布电感、线间,处处存在分布电容和漏电电导。,根据传输线上分布参数均匀与否，可将传输线,分为均匀传输线和非均匀传输线,。,本章只限于研究均匀传输线。,1.,均匀传输线(均匀长线),：分布参数沿线均匀,分布，与位置无关。,2.,均匀传输线,的,分布参数,：,分布电阻,R,0,(,/m),：,单位长度传输线段的总电阻值。,与导线的材料及截面尺寸有关，理想导体的,R,0,=0。,分布电导,G,0,(,S/m),：,单位长度传输线段的并联电导值。,与导线周围介质材料的损耗角有关，理想介质的,G,0,=0。,分布电感,L,0,(,H/m),：,单位长度传输线段的自感。与,导线截面尺寸、线间距及介质的磁导率有关。,分布电容,C,0,(,F/m),：,单位长度传输线段间的电容。与,导线截面尺寸、线间距及介质的介电常数有关。,本章主要研究均匀无耗传输线，,R,0,=0，,G,0,=0,；,L,0,、,C,0,的计算公式见,P6,表2-1。,3.均匀传输线的等效电路,对于均匀传输线,由于分布参数均匀分布，故可任,取一小段线元,dz,来讨论，,dz,可作为“短线”，即集中,参数电路来处理,并等效为一个集中参数的型网络。而,整个传输线就可视为由许多相同线元,dz,的等效网络级联,而成的电路，如图2-5所示。,用等效电路解释微波传输线上不同位置的电压、电,流不同的现象。如图,由于1-1和2-2之间有串联电阻存,在，因而电压不同；又由于线间并联回路的分流作用，,通过1点和2点的电流也不同。,当接通电源后,电流通过分布电感逐级向分布,电容充电形成向负载方向传输的电压波和电流波，,即，,电压和电流是以波的形式在传输线上传播并,将能量从电源传至负载。,思考题：,1.什么叫传输线？微波传输线可分为哪几类？,2.何谓“长线”、“短线”？举例说明。,3.什么叫分布参数电路？它与集中参数电路,在概念和处理手法上有何不同？,