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,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,*,第一章 传输线理论,在电子通信领域内，信号采用的传输方式和信号的传输特性是由工作频率决定的。射频频段电磁波的传播方式有着不同特点，本章将关注射频传输中的基本概念传输线。,主要内容,1.1 认识传输线,1.2 传输线等效电路表示法,1.3 传输线方程及传输线特征参数,1.4 均匀无耗传输线工作状态分析,1.5 本章小结,1.1 认识传输线,射频识别,（Radio Frequency Identification，,RFID,）通过无线电进行识别。射频识别包括两个部分:射频（Radio Frequency，RF）与识别（Identification，ID），其中“射频”是整个射频识别的基础。射频表示可以辐射到空间的电磁波频率，通常所指的频率范围为30kHz30GHz。,传输线,是传输电磁能量的一种装置，在电路知识中学的导线就属于传输线。导线属于低频传输线，在低频传输线中，电流几乎均匀地分布在导线内部。随着工作频率的升高，波长不断减小，电流集中在导体表面，导体内部几乎没有能量传输。传输线上的电压和电流随着空间位置不同而变化，电压和电流呈现出波动性。,1.1 认识传输线,长线的含义,长线,是指传输线的几何长度和线上传输磁波的波长的比值（即,电长度）大于或接近于1；反之，则称为短线。长线和短线是相对,的，取决于传输线的电长度而不是几何长度。传输线理论是针对长,线而言的，用来分析传输线上电压和电流分布以及传输线上阻抗的,变化规律。,传统低频电路中，连接元件的导线是理想的短路线，只需考虑,传输信号幅度，而无须考虑相位，称之为,集总参数电路,。而在射频,中，长线上每一点都分布有电阻、电感、电容和电导，导致沿线的,电流、电压随时间和空间位置不同而变化，称为,分布参数电路,。,1.1 认识传输线,传输线上传输的电磁波,TEM波（横电磁波）：电场和磁场都与电磁波传播方向相垂直。,TE波（横电波）：电场与电磁波传播方向相垂直，传播方向上只有磁场分量。,TM波（横磁波）：磁场与电磁波传播方向相垂直，传播方向上只有电场分量。,TEM波模型的电场（,E,）、磁场（,H,）与电磁波传播方向（,V,）垂直。,TEM传输线上电磁波的传播速度与频率无关。,TEM波模型,1.1.3 传输线举例,TEM传输线,常用的有双线传输线、同轴线、带状线和微带线（传输准TEM波），用来传输TEM波的传输线一般由两个（或两个以上）导体组成。,1.1.3 传输线举例,1.同轴线,当频率高达10GHz时，几乎所有射频系统或测试设备的外接线都,是同轴线。,如前图所示，同轴线由内圆柱导体（半径为,a,）、外导体（半,径为,b,）和它们之间的电解质层组成。通常，外导体接地，电磁场被,限定在内外导体之间，所以同轴线基本没有辐射损耗，也几乎不受,外界信号干扰。,同轴线的工作频带比双线传输线宽，因此可以用于大于厘米波,的波段。,1.1.3 传输线举例,2.微带线,多数电子系统通常采用平面印刷电路板作为基本介质实现。当涉,及实际的射频电路时，必须考虑蚀刻在电路板上导体的高频特性。,微带线是在厚度为,h,的介质基片一面制作宽度为,W,、厚度为,t,的导体,带，另一面制作接地导体平板而构成，整体厚度只有几个毫米。,3.双线传输线,双线传输线由两根圆柱形导线构成。双线传输线是开放的系统，当,工作频率升高时，其辐射损耗会增加，同时也会受到外界信号的干扰。,1.2 传输线等效电路表示法,电路工作频率的提高意味着波长的减小，当频率提高到超高频,时，相应的波长范围为10100cm；当频率继续提高时，波长将与,电路元件的尺寸相当，电压和电流不再保持空间不变，不能再通过,基尔霍夫电压和电流定律对宏观的传输线传输特性进行分析，而必,须用波的特性来分析它们。但是，可以对传输线进行分割，当传输,线被分割成较小的线段时，它既可以用分布参量来描述，在微观尺,度上也遵循基尔霍夫定律。,因此，每个被分割的单元可以用下图所示的,等效电路,来描述。,双线传输线的等效表示,1.2 传输线等效电路表示法,把双线传输线分为长度为,z,的线段。在,z,和,z,+,z,之间,的小段传输线上，每个导体（两根传输线）用电阻和电感,的串联来描述。在,z,长度内的分割单元满足集总参量。,分布参数,：分布电阻,R,、分布电导,G,、分布电感,L,和分布电,容,C,。它们的数值均与传输线的种类、形状、尺寸及导体材料,和周围媒质特性有关。,1.2 传输线等效电路表示法,这种分割到微观的表示法的优点：能够引入分布量描述，在微,观尺寸上的分析可以遵循基尔霍夫定律，同时也提供了一个更直观,的图形。,分布参数定义如下：,分布电阻,R,传输线单位长度上的总电阻值，单位为/m；,分布电导,G,传输线单位长度上的总电导值，单位为S/m；,分布电感,L,传输线单位长度上的总电感值，单位为H/m；,分布电容,C,传输线单位长度上的总电容值，单位为F/m。,均匀传输线,是指传输线的几何尺寸、相对位置、导体材料及导体,周围媒质特性沿电磁波的传输方向不改变的传输线，即沿线的分布,参数是均匀分布的。,1.3 传输线方程及传输线特征参数,一般传输线方程,1.基尔霍夫电流定律（KCL）,任一节点，所有流出节点的支路电流代数和恒等于零：,规定：流出节点的电流为“+”；流入节点的电流为“”,KCL的实质是流入节点的电流等于流出节点的电流。,2.基尔霍夫电压定律（KVL）,任一回路的所有支路电压的代数和恒等于零：,规定：支路电压方向与回路绕行方向一致时，为“+”；反之为“”,KVL的实质是电压与路径无关。,1.3 传输线方程及传输线特征参数,3电阻,R,、电感,L,和电容,C,的阻抗,“电阻”=,R,，“电抗”=0,“电阻”=0，“电抗”=，为感抗,“电阻”=0，“电抗”=，为容抗,1.3 传输线方程及传输线特征参数,4基尔霍夫定律表示传输线的一般方程,把双线传输线分割成足够小的线段，即可建立使用基尔霍,夫定律的模型。用基尔霍夫电压定律,应用于上图的回路,可得,两边同除 ，取极限得,式中，R和L为双线的组合电阻和电感。,1.3 传输线方程及传输线特征参数,对上图节点a应用基尔霍夫电流定律，可得,同理可得,由以上两个结论公式可得,1.3 传输线方程及传输线特征参数,整理可得,式中，我们设k为复传播常数,上述两个方程的解是两个指数函数：,对电压,对电流,这两个方程是传输线方程的通解。,1.3 传输线方程及传输线特征参数,由以上通解方程可以看出：,（1）传输线上任意位置的复数电压和电流均由两部分组成；,（2）第一项是向+z方向传播，即由信号源向负载方向传播的行,波，称为入射波，其振幅不随传输方向变化，其相位随传播方向z的,增加而滞后；,（3）第二项是向-z方向传播，即由负载向信号源方向传播的行,波，为反射波，其振幅不随传播方向变化，其相位随反射波方向-,z,的增加而滞后；,（4）入射波和反射波都是随传播方向振幅不变和相位滞后的行,波；,（5）传输线上任意位置的电压和电流均是入射波和反射波的叠加。,1.3 传输线方程及传输线特征参数,特性阻抗,将通解带入电压微分式得：,整理可得：,电压和电流是通过阻抗联系起来的，引入特性阻抗,Z,0：,当研究无耗传输线模型时,R,=,G,=0，特性阻抗简化为：,1.3 传输线方程及传输线特征参数,将电流通解代入上述I(z)，可得,结论：特性阻抗是传输线上入射波电压与入射波电流之比，或,反射波电压与反射波电流之比的负值。,虽然特性阻抗可以用电压和电流比来表示，但它本身是针对于,某一特定的传输线而言的，与负载无关。,在引入特性阻抗后，我们对传输线方程做第一次变形得到,1.3 传输线方程及传输线特征参数,传播常数,传播常数,k,是描述传输线上入射波和反射波衰减和相位变化的参数：,工程技术符号表示为 ，.,实部,称为衰减常数，,虚部,称为相移常数。衰减常数用来表示单位长度行波振幅的变化，,相移常数表示单位长度行波相位的变化。只考虑无耗线路，故：,把参数,，,代入传输线方程式，第二次变形得：,1.4 均匀无耗传输线工作状态分析,行波系数与驻波系数,反射波的大小除了用电压反射系数来描写外，还可用驻波系数,或行波系数来表示。,驻波系数,定义为沿线合成电压(或电流)的最,大值和最小值之比，即,可见，当入射波的相位与该点反射波的相位同相时，则该处合,成波电压（或电流）出现最大值，反之两者相位相反时，合成波出,现最小值，故有,1.4 均匀无耗传输线工作状态分析,由上式可得：,或,行波系数,K,定义为沿线电压(或电流)的最小值与最大值之比，即,驻波系数的倒数：,三种反射系数的极端情况：,（1）|,|=0，即有入射波没有反射波时（无反射）,=1，,K,=1,（2）|,|=1，即入射波完全返回（全反射）,=，,K,=0,（3）当0|,|1时（部分反射）1,，0,K,1,这三种状态分别为无反射，为行波状态；全反射，为驻波状态；,部分反射，为行驻波状态。,1.4 均匀无耗传输线工作状态分析,行波工作状态,传输线上电压为最大值的点也称为电压,波腹点,，电压为最小值,的点也称为电压波谷点或电压,波节点,；同样，传输线上电流为最大,值的点也称为电流波腹点，电流为最小值的点也称为电流波谷点或,电流波节点。传输线只存在入射波而没有反射波，这种工作状态称,为,行波工作状态,。,传输线的工作状态取决于终端负载，行波状态的负载条件：,即终端阻抗等于传输线的特性阻抗,也称为负载完全匹配，完全匹,配就是说让负载将入射波的能量完全吸收。,在行波状态下,1.4 均匀无耗传输线工作状态分析,由于没有反射波，此时的传输线方程为（源端条件）,行波状态的特点总结为：,（1）传输线上只有入射波，而无反射波；,（2）沿线各点的输入阻抗相等，均为,Z,0；,（3）沿线各点电压与电流同相；,（4）沿线各点电压与电流振幅相同，即为等幅振荡的行波。,1.4 均匀无耗传输线工作状态分析,驻波工作状态,两个振幅相同、频率相同、相位相同或相位差恒定的波源（相,干波），在同一直线上，沿相反方向传播时，叠加后成为,驻波,。驻,波电压变化如图所示。驻波工作状态中某些点的合成电压永远为,零，取最小值点，这些点称为节点。在某些点的合成电压的振幅具,有最大值，这些点称为腹点。其他各点的合成电压的振幅在0与最大,值之间。波腹点是最大值点并不是说这一点的值是固定不变的，它,也在做着简谐运动。,1.4 均匀无耗传输线工作状态分析,驻波状态意味着入射波功率完全没有被负载吸收，即负载与传,输线完全失配。在驻波状态时，入射波等于反射波，也就|,|=1,下面讨论|,|=1的不同负载的几种情况：,1.短路情况,短路是指 ，此时,在,时，输入阻抗,可以看出在终端（,z,=0）时，电压波为节点，电流波为腹点。,而且电压电流电阻有相同的变换频率，都具有,/,2的周期性。,1.4 均匀无耗传输线工作状态分析,总之，在驻波工作状态下，当开路与短路线上电压与电流呈驻,波分布时，表示这种传输线只能存储能量而不能传输能量，与电感,电容性质相似。选择适当长度的传输线可作为等效的电感和电容或,串联和并联谐振电路，因此在微波中广泛使用这种器件。,行驻波工作状态,当传输线终端接复数阻抗负载时，由信号源入射的电磁波功率一,部分被终端负载吸收，另一部分则被反射，传输线上既有纯行波又,有纯驻波，构成混合波状态，故称为,行驻波状态,。,1.5 本章小结,本章对传输线使用微分段法使之可利用基尔霍夫定律进行分析,利用上述模型用基尔霍夫定律分析传输线上的电压电流得到,电压和电流的通解,可以看出，线上任意位置的电压和电流均是入射波和反射波的叠,加。,1.5 本章小结,特性阻抗,Z,0,为传输线上入射波电压与入射波电流之比，或反射,波电压与反射波电流之比的负值。特性阻抗是针对于某一特定的传,输线而言的，是不变的，与负载无关。,反射系数,决定了传输线的三种工作状态：,（1）|,|=0，即有入射波没有反射波时（
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