《同轴线和微带线》PPT课件.ppt

同轴线 同轴线是由两根同轴的园柱导体构成的导行系统 内导体的外半径为b d 2b 外导体的内半径为a D 2a 两导体间填充空气 硬同轴线 或相对介电常数为er的高频介质 软同轴线 即同轴电缆 同轴线是一种双导体导行系统 可传输TEM波 以TEM波为工作模广泛用作宽频带馈线与设计宽带元件 但当其横向尺寸可与工作波长相比拟时 同轴线中也会出现TE TM模 这是实用中所不希望的 一 同轴线的TEM模 TEM模是同轴线的主模 是无色散波 其传输特性在长线理论中已从电路的角度讨论过 下面 将从场的角度讨论之 1 场分布TEM波 Ez Hz 0 fc 0 分布函数应满足 与二维静态场一致 只要用解相应二维静态场的方法求出 当内 外导体间充满介质 mr er 时 设有一恒定电流I流过内导体 同轴线无限长 则根据安培定律 有 1 用静态场求分布函数 代入 3 115 得TEM 波的行波解为 2 TEM 模的场分布如图所示 2 特性阻抗 对TEM波 无色散波 沿z向的单一行波电流为导体表面的纵向电流线密度的积分 电压是内 外导体间电场的线积分 特性阻抗 3 传输功率P与功率容量Pmax 设击穿电压强度为Ebr 击穿将首先在电场最强的内导体表面 r b 处发生 则 4 衰减常数 ac为导体损耗的衰减常数 对于空气介质的同轴线 硬同轴线 中 TEM波的a ac 为求a 需先算出长度为L的一段同轴线的衰减功率PL 同轴线内 外导体表面的切向 j向 的磁场分别为 则 将上式及式 3 122 代入 3 83 ad为介质损耗的衰减常数 对于软同轴线 其中填以高频介质 应考虑ad 二 同轴线的高次模可将同轴线视为同轴波导 取园柱坐标r j z 电磁波在b r a范围内传输 这其中还可能存在无限多种色散的高次模 分析方法与园波导相同 只是比园波导多一个内导体 不存在r 0的区域 其通解中包含纽曼函数Yn u 求解场分布和lc更复杂 下面仅给出有关lc的近似计算式 同轴线所有高次模中 lc最大的是模 当n 0 i 1 D d 4时 要保证TEM单模传输 则 即工作波长应大于同轴线内 外导体的平均周长 随着l的缩短 f上升 应减小同轴线的尺寸 而过小的尺寸又导致损耗增大 传输效率降低 故同轴线不宜用于微波的高频端作功率传输 三 同轴线尺寸的选择应考虑三个因素 1 保证TEM单模传输 1 1是为了有效地抑制高次模而引入的安全系数 最高可利用频率 由 2 通过功率最大令D d x 3 123 式中 由 可见 获得最大功率容量和获得最小衰减系数的条件不同 具体使用时 要根据实际需要确定以哪一个为主 如远距离传输希望a越小越好 而大功率传输则要注意同轴线的功率容量 对于空气介质的同轴线 习惯上采用特性阻抗为75W和50W两种 75W接近a最小的要求 50W则兼顾通过功率大和a小这两个要求的折中考虑 此时取D d 2 3 a比amin约大10 功率容量比最大值约小15 3 衰减系数最小令D d x 3 124 式中 由 微带线 微带线由介质基片上的导带和基片下的接地板构成 整个微带线用薄膜工艺制作而成 其中基片采用介电常数高 高频损耗小的陶瓷 石英或蓝宝石等介质材料 导带材料为良导体 微带线结构简单 体积小 重量轻 加工方便 又便于与微波固体器件接成一体 容易 实现微波电路的小型化和集成化 在微波集成电路中 微带线属于半敞开式 部分填充介质的双导线传输线 可看作是由平行双线演变而来的 如图所示 在平 平行双线演变成微带线 体轧成薄导带 且在导带与导电平板之间填充介质 即成标准的微带线 获得了广泛的应用 行双线对称面上放一无限薄的导电平板 由于电力线垂直于导电平板 因此并不影响原来的场分布 去掉下面的一个导体 导电平板上的场分布也不变 再将圆柱导 1 微带线传输的主模 微带线是双导体系统 如果没有介质基片 由于导体周围是均匀的空气 可以存在无色散的TEM模 然而 实际的微带线是制作在介质基片上的 由于增加了介质与空气的界面 使问题复杂化 用电磁场理论可证明 在两种不同介质的传输系统中 不可能存在单纯的TEM模 而只能存在TE模和TM模的混合模 但在微波波段的低频端 由于场的色散现象很弱 场的纵向分量很小可忽略 传输模式类似于TEM模 故称为准TEM模 2 微带线的特性参量 实用微带线一般工作在低频弱色散区 其工作模式准TEM模与无色散的TEM模非常接近 作为一级近似 可当作TEM模来分析 这种分析方法称为 准静态分析法 对TEM模 根据长线理论 对于如图 a 的空气微带线 传输TEM模的vp v0 c 光速 设它的单位长度分布电容为C01 则其特性阻抗为 当微带线周围全部用介质 er 填充 如图 b 时 对于实际微带线 如图 c 其中传输波的相速一定在 其单位长度分布电容 故其特性阻抗一定在 分析微带线特性的示意图 为此 引入一种等效介质 其等效相对介电常数用ere表示 1 ere er 用这种等效介质均匀填充微带线 如图 d 并保持其尺寸和特性阻抗与原来的实际微带线相同 即 由式 3 132a 可见 微带特性阻抗Z0的计算归结为求空气微带线的特性阻抗Z01和等效相对介电常数ere 应用保角变换确定实际微带线的分布电容C0和空气微带线的分布电容C01 两者之比为等效相对介电常数 式中q为填充因子 表示介质填充的程度 0 q 1 q 0 则ere 1 表示导带周围全部填充空气 q 1 则ere er 表示导带周围全部填充相对介电常数为er的介质 q是微带线尺寸w h的函数 w为导带宽度 h为基片厚度 也可把ere写成如下形式 q的计算公式为 由空气微带线的分布电容C01 再根据式 3 132b 可算出空气微带线的特性阻抗Z01 其近似结果为 实际计算很繁杂 左图给出了Z01及q随w h变化的曲线 实际微带线的Z0可应用逼近法查图求得 也可以在微波工程手册中查Z0和er w h的关系曲线或表格 Z01 q w h变化的曲线 3 微带线的色散特性和尺寸设计考虑 上述讨论的Z0和ere的计算公式是假定微带线传输TEM模 并用准静态方式得到的 只有在频率较低时 才能满足一定的精度 当频率较高时 微带线中的传输模不是TEM模 而是TE和TM的混合模 微带线中电磁波的传播速度是频率的函数 使得Z0和ere将随频率而变化 频率越高 ere越大 Z0越低 当频率f低于某一临界频率f0时 微带线的色散可以不予考虑 当工作频率提高后 微带线中除了传输准TEM模外 还会出现高次模 据分析 当微带线的尺寸w h给定时 最短工作波长只要满足以下条件 就可保证微带线中主要传输准TEM模 本章提要 1 微波传输线是引导电磁波沿一定方向传输的系统 又称导波系统 麦克斯韦方程和边界条件决定了导行波在导波系统中的电磁场分布规律和传播特性 2 导行波按纵向场分量的有无分为TE波 TM波和TEM波三种类型 前两种是色散波 一般在金属波导中传播 TEM波是非色散波 一般在双导体系统中传播 3 均匀金属波导不能传输TEM波 其基本波型是TEmn和TMmn 只有满足条件lfc的模才能在相应导波中传播 否则被截止 4 理想波导的传输特性有 式中lc为截止波长 波阻抗 矩形波导中的电磁波型的传输特性 1 高通低不通 2 色散 3 多模 4 矩形波导中的主模为TE10 H10 实现单一TE10模传输必须满足的条件 一般取1 6a l 1 05a 5 简并 5 波导系统中场结构必须满足下列规则 电力线一定与磁力线垂直 两者与传输方向满足右手螺旋法则 波导金属壁上只有电场的法向分量和磁场的切向分量 磁力线一定是封闭曲线 重点要求掌握矩形波导H10模的场结构图和壁电流分布图 6 各类传输线内传输的主模及其截止波长和单模传输的条件列于下表 作业 补充题 1 计算聚苯乙烯 er 2 1 同轴电缆的特性阻抗和同轴线内电磁波的传播速度 已知其内导体外径d 1 37mm 外导体内径D 4 6mm 2 设铜质硬同轴线D 16mm d 7mm 求其最大通过功率Pmax 空气的击穿电压强度Ebr 30KV cm 3 同轴电缆的b 0 89mm a 2 95mm 填充介质er 2 2 求其最高可用频率 取5 的余量 即保证传输TEM模