微波技術(shù)長線理論

微波技術(shù)長線理論第一頁，共十八頁，編輯于2023年，星期二第一節(jié)傳輸線的基本概念

一、傳輸線及其種類

傳輸線用來傳輸電磁能量的裝置。由傳輸系統(tǒng)引導(dǎo)，向一定方向傳播的電磁波稱為導(dǎo)行波。微波傳輸線與低頻傳輸線的不同點：

1.微波傳輸線種類繁多,按其所傳輸?shù)膶?dǎo)行波型可分為三大類：第二頁，共十八頁，編輯于2023年，星期二

(1)TEM波(包括準(zhǔn)TEM波)傳輸線圖2-1TEM波傳輸線(a)平行雙導(dǎo)線(b)同軸線(c)帶狀線(d)微帶屬雙導(dǎo)體系統(tǒng)，其頻帶寬，但在高頻段傳輸電磁能量損耗較大。第三頁，共十八頁，編輯于2023年，星期二

(2)金屬波導(dǎo)傳輸線,其傳輸模為TE、TM波。圖2-2波導(dǎo)傳輸線(e)矩形波導(dǎo)(f)圓形波導(dǎo)(g)脊形波導(dǎo)(h)橢圓波導(dǎo)屬單導(dǎo)體傳輸系統(tǒng)，又稱色散波傳輸線。具有損耗小、功率容量大、體積大、頻帶窄等特點。第四頁，共十八頁，編輯于2023年，星期二

(3)表面波傳輸線圖2-3表面波傳輸線(i)介質(zhì)波導(dǎo)(j)鏡像線(k)單根表面波傳輸線主要用于傳輸表面波,電磁能量沿傳輸線的表面?zhèn)鬏?。具有結(jié)構(gòu)簡單、體積小、功率能量大等優(yōu)點。第五頁，共十八頁，編輯于2023年，星期二

2.微波傳輸線不僅能傳輸電磁能量,還可用來構(gòu)成各種微波元件(如諧振腔、濾波器、阻抗匹配器、定向耦合器等)。這與低頻傳輸線截然不同。當(dāng)傳輸線的橫向尺寸比信號波長小得多、而軸向尺寸(即長度)遠(yuǎn)比信號波長大時,可將傳輸線看成一維分布參數(shù)電路。本章討論的是指傳輸TEM波的傳輸線，可用雙導(dǎo)線模型進(jìn)行分析。第六頁，共十八頁，編輯于2023年，星期二二、分布參數(shù)概念

1.長線與短線相對長度l/稱為傳輸線的電長度。

通常，當(dāng)：l/0.05,即幾何長度與工作波長可比擬或更長的稱為長線；

l/<0.05,即幾何長度與工作波長相比可忽略不計的為短線。例如：傳輸3GHz(=10cm)的同軸線l=0.5m,輸送市電的電力傳輸線(f=50Hz,=6000km)，長達(dá)幾千米，

為長線。為短線。第七頁，共十八頁，編輯于2023年，星期二圖2-4電流(電壓)沿線分布圖

用圖2-4所示線上電壓(或電流)隨空間位置分布狀況來說明長、短線的區(qū)別:第八頁，共十八頁，編輯于2023年，星期二

圖(a)為半波長的波形圖,AB

<<l,為“短線”，某一時刻,AB上各點的電壓(電流)的大小和相位幾乎不變。圖(b)高頻波形圖，雖線段長仍為AB，但在某一瞬間，其上各點的電壓(或電流)的大小和相位均有很大的變化，此時的AB應(yīng)視為“長線”。顯然，微波傳輸線屬于“長線”的范疇，故本章稱為“長線理論”，即微波傳輸線基本理論。第九頁，共十八頁，編輯于2023年，星期二

2.分布參數(shù)與分布參數(shù)電路

長線和短線的區(qū)別還在于：

長線為分布參數(shù)電路,短線為集中參數(shù)電路。低頻電路中,電路元件參數(shù)(R、L、C)基本上都集中在相應(yīng)的元件(電阻、電感器、電容器)中，稱為集中參數(shù)。電路中還存在著元件間連線的電阻、電感和導(dǎo)線間的電容等，稱為分布參數(shù)。低頻電路中,分布參數(shù)的量值與集中參數(shù)相比，微乎其微,可忽略不計。低頻傳輸線為短線,在電路中只起連接線作用。低頻電路為集中參數(shù)電路。第十頁，共十八頁，編輯于2023年，星期二

高頻信號通過傳輸線時會產(chǎn)生以下分布參數(shù)：導(dǎo)體周圍高頻磁場→串聯(lián)分布電感；兩導(dǎo)體間高頻電場→并聯(lián)分布電容；

導(dǎo)線有限，高頻電流趨膚效應(yīng)→分布電阻；導(dǎo)體間非理想絕緣→漏電→并聯(lián)分布電導(dǎo)。

當(dāng)雙導(dǎo)線工作在微波波段時，分布參數(shù)的影響不容忽視。第十一頁，共十八頁，編輯于2023年，星期二

例：設(shè)雙導(dǎo)線的分布電感

L0=0.999nH/mm，

分布電容

C0=0.0111pF/mm

;

工作在f=50Hz時引入的串聯(lián)電抗、并聯(lián)導(dǎo)納：

XLf=50Hz=L=2fL0=31410-3/mmBcf=50Hz=C=2fC0=3.4910-12S/mm當(dāng)頻率升到5000MHz時：

XLf=5000MHz=L=2fL0=31.4/mm

Bcf=5000MHz=2fC0=3.4910-4S/mm后者是前者的一億倍，其分布參數(shù)效應(yīng)不容忽視。第十二頁，共十八頁，編輯于2023年，星期二微波傳輸線,其電路參數(shù)(R、L、C、G)及電路物理量(u、i)，都是沿線分布的(是z，t的函數(shù))，稱之為分布參數(shù)電路，必須用傳輸線理論來研究。第十三頁，共十八頁，編輯于2023年，星期二三、均勻傳輸線及其等效電路

傳輸線上處處存在分布電阻、分布電感、線間處處存在分布電容和漏電電導(dǎo)。根據(jù)傳輸線上分布參數(shù)均勻與否，可將傳輸線分為均勻傳輸線和非均勻傳輸線。本章只限于研究均勻傳輸線。

1.均勻傳輸線(均勻長線)：分布參數(shù)沿線均勻分布，與位置無關(guān)。第十四頁，共十八頁，編輯于2023年，星期二

2.均勻傳輸線的分布參數(shù)：

分布電阻R0(/m)：單位長度傳輸線段的總電阻值。與導(dǎo)線的材料及截面尺寸有關(guān)，理想導(dǎo)體的R0=0。

分布電導(dǎo)G0(S/m)

：單位長度傳輸線段的并聯(lián)電導(dǎo)值。與導(dǎo)線周圍介質(zhì)材料的損耗角有關(guān)，理想介質(zhì)的G0=0。

分布電感L0(H/m)

：單位長度傳輸線段的自感。與導(dǎo)線截面尺寸、線間距及介質(zhì)的磁導(dǎo)率有關(guān)。

分布電容C0(F/m)

：單位長度傳輸線段間的電容。與導(dǎo)線截面尺寸、線間距及介質(zhì)的介電常數(shù)有關(guān)。第十五頁，共十八頁，編輯于2023年，星期二

本章主要研究均勻無耗傳輸線，R0=0，G0=0；

L0

、C0

的計算公式見P6表2-1。

3.均勻傳輸線的等效電路

對于均勻傳輸線,由于分布參數(shù)均勻分布，故可任取一小段線元dz<<來討論，dz可作為“短線”，即集中參數(shù)電路來處理,并等效為一個集中參數(shù)的型網(wǎng)絡(luò)。而整個傳輸線就可視為由許多相同線元dz的等效網(wǎng)絡(luò)級聯(lián)而成的電路，如圖2-5所示。第十六頁，共十八頁，編輯于2023年，星期二

用等效電路解釋微波傳輸線上不同位置的電壓、電流不同的現(xiàn)象。如圖,由于1-1’和2-2’之間有串聯(lián)電阻存在，因而電壓不同；又由于線間并聯(lián)回路的分流作用，通過1點和2點的電流也不同。第十七頁，共十八頁，編輯于2023年，星期二

當(dāng)接通電源后,電流通過分布電感逐級向分布電容