微波技術(shù)與天線2

1、傳輸線的分布參數(shù)效應(yīng)傳輸線的分布參數(shù)效應(yīng)微波技術(shù)與天線微波技術(shù)與天線-傳輸線理論傳輸線理論傳輸線方程傳輸線方程傳輸線的一些參量傳輸線的一些參量傳輸線的工作狀態(tài)傳輸線的工作狀態(tài)傳輸線的阻抗匹配傳輸線的阻抗匹配電磁波的三種傳輸模式電磁波的三種傳輸模式微波技術(shù)與天線微波技術(shù)與天線-傳輸線理論傳輸線理論TE波：傳播方向上，不存在電場矢量TM波：傳播方向上，不存在磁場矢量TEM波： 電場矢量和磁場矢量均垂直于電磁波的傳播方向 傳輸線有長線和短線之分。所謂長線是指傳輸線的幾何長度與線上傳輸電磁波的波長比值(電長度)大于或接近1，反之稱為短線。微波技術(shù)與天線微波技術(shù)與天線-傳輸線理論傳輸線理論傳輸線的分布參

2、數(shù)效應(yīng)傳輸線的分布參數(shù)效應(yīng) 短線集中參數(shù)電路 長線分布參數(shù)電路傳輸線的分布參數(shù)效應(yīng)傳輸線的分布參數(shù)效應(yīng)微波技術(shù)與天線微波技術(shù)與天線-傳輸線理論傳輸線理論 信號頻率很低時，電流從電路始端至終端的時間遠小于電磁波的一個周期，在穩(wěn)態(tài)的情況下，可以認為電流是同時建立起來的，大小和相位與空間位置無關(guān) 信號頻率升高后，電場能量和磁場能量的分布空間很難分開： 集膚效應(yīng)和傳輸損耗分布電阻效應(yīng) 導(dǎo)線周圍分布的高頻磁場分布電感效應(yīng) 導(dǎo)線周圍分布的高頻電場分布電容效應(yīng) 導(dǎo)線周圍絕緣不好存在漏電分布電導(dǎo)效應(yīng)傳輸線的分布參數(shù)效應(yīng)傳輸線的分布參數(shù)效應(yīng)微波技術(shù)與天線微波技術(shù)與天線-傳輸線理論傳輸線理論均勻無耗長線的定義 均

3、勻長線是指沿線的分布參數(shù)R、L、C、G均為常量的長線 均勻無耗長線：均勻長線、R=0、G=0微波技術(shù)與天線微波技術(shù)與天線-傳輸線理論傳輸線理論傳輸線坐標(biāo)系傳輸線坐標(biāo)系傳輸線方程傳輸線方程),(tzu),(tzzuzLZgZgEZ0),(tzzi),(tzi1*Lz微波技術(shù)與天線微波技術(shù)與天線-傳輸線理論傳輸線理論傳輸線等效電路傳輸線等效電路1*Cz),(tzu),(tzi),(tzzi),(tzzu傳輸線方程傳輸線方程微波技術(shù)與天線微波技術(shù)與天線-傳輸線理論傳輸線理論傳輸線方程的解傳輸線方程的解)cos()cos(),(),(),(BAztBztAtzutzutzu)cos()cos(),()

4、,(),(00BAztZBztZAtzitzitzi式中式中Z0Z0為特性阻抗，為特性阻抗，11CL傳輸線的特性參量傳輸線的特性參量微波技術(shù)與天線微波技術(shù)與天線-傳輸線理論傳輸線理論描述的是傳輸線上單向波的傳輸特性 特性阻抗、相波長、相移常數(shù)、相速度特性阻抗特性阻抗:傳輸線上入射波電壓和入射波電流之比110CLZ 無耗均勻傳輸線傳輸線的特性參量傳輸線的特性參量1pv微波技術(shù)與天線微波技術(shù)與天線-傳輸線理論傳輸線理論 相速度相速度： 傳輸線上單向波的等相位面行進的速度21zzp微波技術(shù)與天線微波技術(shù)與天線-傳輸線理論傳輸線理論相波長和相移常數(shù)相波長和相移常數(shù)相波長：同一時刻傳輸線上單向波的相位相

5、差2*pi的兩點間的距離2)()(21AAztzt傳輸線的特性參量傳輸線的特性參量p2相移常數(shù)：單位長度傳輸線上單向波的相位變化值傳輸線的工作參量傳輸線的工作參量LinZzZ)2(微波技術(shù)與天線微波技術(shù)與天線-傳輸線理論傳輸線理論 描述傳輸線上的發(fā)射情況輸入阻抗、反射系數(shù)、駐波比輸入阻抗輸入阻抗:傳輸線上合成波的電壓和電流之比ZLZinzZin(z)LinZZzZ20)4(傳輸線的工作參量傳輸線的工作參量zjLLeZZZZz200)(微波技術(shù)與天線微波技術(shù)與天線-傳輸線理論傳輸線理論反射系數(shù)反射系數(shù): 傳輸線上任一點反射波的電壓和入射波的電壓之比傳輸線的工作參量傳輸線的工作參量11微波技術(shù)與天

6、線微波技術(shù)與天線-傳輸線理論傳輸線理論駐波比駐波比: 沿線合成波波腹點電壓振幅與波節(jié)點電壓振幅之比傳輸線的工作狀態(tài)傳輸線的工作狀態(tài)微波技術(shù)與天線微波技術(shù)與天線-傳輸線理論傳輸線理論 對于無耗傳輸線, 負載阻抗不同則波的反射也不同; 反射波不同則合成波不同; 合成波的不同意味著傳輸線有不同的工作狀態(tài)。 歸納起來, 無耗傳輸線有三種不同的工作狀態(tài): 行波狀態(tài) 駐波狀態(tài) 行駐波狀態(tài)傳輸線的工作狀態(tài)傳輸線的工作狀態(tài)行波狀態(tài)行波狀態(tài))cos(),(AztAtzu微波技術(shù)與天線微波技術(shù)與天線-傳輸線理論傳輸線理論 行波狀態(tài)就是無反射的傳輸狀態(tài), 此時反射系數(shù)l=0, 而負載阻抗等于傳輸線的特性阻抗, 即Z

7、l=Z0, 也可稱此時的負載為匹配負載。 傳輸線上電壓、電流瞬時表達式為)cos(),(0AztZAtzi傳輸線的工作狀態(tài)傳輸線的工作狀態(tài)行波狀態(tài)行波狀態(tài)微波技術(shù)與天線微波技術(shù)與天線-傳輸線理論傳輸線理論 對于無耗傳輸線, 行波狀態(tài)下的結(jié)論： 沿線電壓和電流振幅不變, 駐波比=1; 電壓和電流在任意點上都同相; 傳輸線上各點阻抗均等于傳輸線特性阻抗。 信號源輸入的功率全部被負載吸收，即能有效的傳輸功率。傳輸線的工作狀態(tài)傳輸線的工作狀態(tài)駐波狀態(tài)駐波狀態(tài)微波技術(shù)與天線微波技術(shù)與天線-傳輸線理論傳輸線理論純駐波狀態(tài)就是全反射狀態(tài), 也即終端反射系數(shù)|l|=1負載阻抗： 短路（負載阻抗為0） 開路（負

8、載阻抗為） 純電抗（負載阻抗為jX）傳輸線的工作狀態(tài)傳輸線的工作狀態(tài)駐波狀態(tài)駐波狀態(tài)微波技術(shù)與天線微波技術(shù)與天線-傳輸線理論傳輸線理論3 / 4 / 2 / 43 / 4 / 2 / 43 / 4 / 2 / 4OzzzOZin(a)(b)UI終端短路情況終端短路情況傳輸線的工作狀態(tài)傳輸線的工作狀態(tài)駐波狀態(tài)駐波狀態(tài)微波技術(shù)與天線微波技術(shù)與天線-傳輸線理論傳輸線理論 對于無耗傳輸線, 終端短路時，駐波狀態(tài)下的特點： 沿線各點電壓和電流振幅按余弦變化,電壓和電流相位差90度,功率為無功功率,即無能量傳輸; 在z=n/2(n=0, 1, 2, )處電壓為零, 電流的振幅值最大且等于2|A1|/Z0,

9、 稱這些位置為電壓波節(jié)點, 在z=(2n+1)/4 (n=0, 1, 2, )處電壓的振幅值最大且等于2|A1|, 而電流為零, 稱這些位置為電壓波腹點; 傳輸線的工作狀態(tài)傳輸線的工作狀態(tài)駐波狀態(tài)駐波狀態(tài)微波技術(shù)與天線微波技術(shù)與天線-傳輸線理論傳輸線理論 傳輸線上各點阻抗為純電抗, 在電壓波節(jié)點處Zin=0, 相當(dāng)于串聯(lián)諧振, 在電壓波腹點處|Zin|, 相當(dāng)于并聯(lián)諧振, 在0z/4內(nèi), Zin=jX相當(dāng)于一個純電感, 在/4z/2內(nèi), Zin=-jX相當(dāng)于一個純電容，從終端起每隔/4阻抗性質(zhì)就變換一次, 這種特性稱為/4阻抗變換性。傳輸線的工作狀態(tài)傳輸線的工作狀態(tài)駐波狀態(tài)駐波狀態(tài)微波技術(shù)與天

10、線微波技術(shù)與天線-傳輸線理論傳輸線理論特點：沿線各點電壓、電流在時間和空間上相差均為/2輸入阻抗表現(xiàn)為純電抗特性傳輸線在駐波狀態(tài)下不能傳輸功率傳輸線的工作狀態(tài)傳輸線的工作狀態(tài)行駐波狀態(tài)行駐波狀態(tài)微波技術(shù)與天線微波技術(shù)與天線-傳輸線理論傳輸線理論 當(dāng)微波傳輸線終端接任意復(fù)數(shù)阻抗負載時, 由信號源入射的電磁波功率一部分被終端負載吸收, 另一部分則被反射, 因此傳輸線上既有行波又有駐波, 構(gòu)成混合波狀態(tài), 故稱之為行駐波狀態(tài)。傳輸線的工作狀態(tài)傳輸線的工作狀態(tài)行駐波狀態(tài)行駐波狀態(tài)微波技術(shù)與天線微波技術(shù)與天線-傳輸線理論傳輸線理論 當(dāng)微波傳輸線終端接任意復(fù)數(shù)阻抗負載時, 由信號源入射的電磁波功率一部分被

11、終端負載吸收, 另一部分則被反射, 因此傳輸線上既有行波又有駐波, 構(gòu)成混合波狀態(tài), 故稱之為行駐波狀態(tài)。傳輸線的工作狀態(tài)傳輸線的工作狀態(tài)Z微波技術(shù)與天線微波技術(shù)與天線-傳輸線理論傳輸線理論 無耗傳輸線上距離為4的任意兩點處阻抗的乘積均等于傳輸線特性阻抗的平方, 這種特性稱之為/4阻抗變換性。 LinZZzZ20)4(阻抗匹配阻抗匹配Z微波技術(shù)與天線微波技術(shù)與天線-傳輸線理論傳輸線理論 阻抗匹配具有三種不同的含義,分別是負載阻抗匹配、源阻抗匹配和共軛阻抗匹配,它們反映了傳輸線上三種不同的狀態(tài)。 1) 負載阻抗匹配 負載阻抗匹配是負載阻抗等于傳輸線的特性阻抗的情形, 此時傳輸線上只有從信源到負載

12、的入射波, 而無反射波。匹配負載完全吸收了由信源入射來的微波功率; 而不匹配負載則將一部分功率反射回去, 在傳輸線上出現(xiàn)駐波。阻抗匹配阻抗匹配Z微波技術(shù)與天線微波技術(shù)與天線-傳輸線理論傳輸線理論 當(dāng)反射波較大時, 波腹電場要比行波電場大得多, 容易發(fā)生擊穿, 這就限制了傳輸線能最大傳輸?shù)墓β? 因此要采取措施進行負載阻抗匹配。負載阻抗匹配一般采用阻抗匹配器。 2) 源阻抗匹配 電源的內(nèi)阻等于傳輸線的特性阻抗時, 電源和傳輸線是匹配的, 這種電源稱之為匹配源。對匹配源來說, 它給傳輸線的入射功率是不隨負載變化的, 負載有反射時, 反射回來的反射波被電源吸收?？梢杂米杩棺儞Q器把不匹配源變成匹配源,

13、 但常用的方法是加一個去耦衰減器或隔離器, 它們的作用是吸收反射波。 阻抗匹配阻抗匹配Z微波技術(shù)與天線微波技術(shù)與天線-傳輸線理論傳輸線理論3) 共軛匹配 對于不匹配電源, 當(dāng)負載阻抗折合到電源參考面上的輸入阻抗為電源內(nèi)阻抗的共軛值時, 即當(dāng)Zin=Z*g時, 負載能得到最大功率值。通常將這種匹配稱為共軛匹配。 阻抗匹配阻抗匹配Z微波技術(shù)與天線微波技術(shù)與天線-傳輸線理論傳輸線理論阻抗匹配的方法 對一個由信源、傳輸線和負載阻抗組成的傳輸系統(tǒng)希望信號源在輸出最大功率的同時，負載全部吸收, 以實現(xiàn)高效穩(wěn)定的傳輸。因此一方面應(yīng)用阻抗匹配器使信源輸出端達到共軛匹配, 另一方面應(yīng)用阻抗匹配器使負載與傳輸線特性阻抗相匹配。 匹配器1匹配器2ZlEgZ0Zg同軸線同軸線微波技術(shù)與天線微波技術(shù)與天線-傳輸線理論傳輸線理論同軸線同軸線微波技術(shù)與天線微波技術(shù)與天線-傳輸線理論傳輸線理論 內(nèi)、外半徑分別為a和b, 填充介質(zhì)的磁導(dǎo)率和介電常數(shù)分別為和。同軸線是微