第三章微波传输线教材ppt课件

,第三章 微波传输线,微波技术与天线,电子科技大学,电子工程学院,*,13:00,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,1,3-1 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,2,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：,3,3.1.2 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,4,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：50,（填充聚苯乙烯）和75,（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,5,2、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，其相速为填充介质参,6,3-2 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,7,二、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,L,0,和C,0,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,8,2、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C,0,介质填充微带线,单位长度,分布电容为C,1,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,9,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,10,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,11,3、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 58 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,12,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,13,四、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,14,3-3 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(,E,z,=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,15,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：,16,2、TM波(,H,z,=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,17,三、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,18,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,19,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、,TE,10,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,20,3、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,21,（1）,矩形波导工作主模为TE,10,模,，因为TE,10,模可实现单模传输,（2）当工作频率一定时传输TE,10,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TE,10,模,1、TE10模场分布,TE,10,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,22,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TE,10,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,23,即,当工作波长给定时，若要实现TE,10,单模传输，则波导尺寸必须满足,为了实现TE,10,单模传输，则要求电磁波的工作波长必须满足下列条件,2、TE,10,模截止波长与截止频率,3、矩形波导单模工作条件,即,24,3-6 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TE,11,、TE,01,和TM,01,模。,1、TE,11,模,(),圆波导中TE,11,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 二,25,横截面上电磁场分布 纵剖面上电场分布 壁电流分布,2、TM,01,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,26,3、TE,01,模,(),TM,01,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。,TM,01,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,TE,01,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模(),27,传输线类型,主 模,截止波长,c,单模传输条件,矩形波导,TE,10,模,2,a,a,2,b,圆波导,TE,11,模,3.14,R,2.62,R,/2(,D+d,),带状线,TEM模,微带线,准TEM模,小结：,各类传输线内传输的主模及其截止波长和单模传输条件,传输线类型主 模截止波长c单模传输条件矩形波导TE10模,28,