物聯(lián)網(wǎng)RFID原理與技術-第一章傳輸線理論課件

第一章傳輸線理論在電子通信領域內(nèi)，信號采用的傳輸方式和信號的傳輸特性是由工作頻率決定的。射頻頻段電磁波的傳播方式有著不同特點，本章將關注射頻傳輸中的基本概念——傳輸線。主要內(nèi)容1.1認識傳輸線1.2傳輸線等效電路表示法1.3傳輸線方程及傳輸線特征參數(shù)1.4均勻無耗傳輸線工作狀態(tài)分析1.5本章小結1.1認識傳輸線射頻識別（RadioFrequencyIdentification，RFID）通過無線電進行識別。射頻識別包括兩個部分:射頻（RadioFrequency，RF）與識別（Identification，ID），其中“射頻”是整個射頻識別的基礎。射頻表示可以輻射到空間的電磁波頻率，通常所指的頻率范圍為30kHz～30GHz。傳輸線是傳輸電磁能量的一種裝置，在電路知識中學的導線就屬于傳輸線。導線屬于低頻傳輸線，在低頻傳輸線中，電流幾乎均勻地分布在導線內(nèi)部。隨著工作頻率的升高，波長不斷減小，電流集中在導體表面，導體內(nèi)部幾乎沒有能量傳輸。傳輸線上的電壓和電流隨著空間位置不同而變化，電壓和電流呈現(xiàn)出波動性。1.1認識傳輸線傳輸線上傳輸?shù)碾姶挪?/p>

TEM波（橫電磁波）：電場和磁場都與電磁波傳播方向相垂直。TE波（橫電波）：電場與電磁波傳播方向相垂直，傳播方向上只有磁場分量。TM波（橫磁波）：磁場與電磁波傳播方向相垂直，傳播方向上只有電場分量。

TEM波模型的電場（E）、磁場（H）與電磁波傳播方向（V）垂直。TEM傳輸線上電磁波的傳播速度與頻率無關。

TEM波模型1.1.3傳輸線舉例TEM傳輸線常用的有雙線傳輸線、同軸線、帶狀線和微帶線（傳輸準TEM波），用來傳輸TEM波的傳輸線一般由兩個（或兩個以上）導體組成。

1.1.3傳輸線舉例1.同軸線當頻率高達10GHz時，幾乎所有射頻系統(tǒng)或測試設備的外接線都是同軸線。如前圖所示，同軸線由內(nèi)圓柱導體（半徑為a）、外導體（半徑為b）和它們之間的電解質(zhì)層組成。通常，外導體接地，電磁場被限定在內(nèi)外導體之間，所以同軸線基本沒有輻射損耗，也幾乎不受外界信號干擾。同軸線的工作頻帶比雙線傳輸線寬，因此可以用于大于厘米波的波段。1.2傳輸線等效電路表示法

電路工作頻率的提高意味著波長的減小，當頻率提高到超高頻時，相應的波長范圍為10～100?cm；當頻率繼續(xù)提高時，波長將與電路元件的尺寸相當，電壓和電流不再保持空間不變，不能再通過基爾霍夫電壓和電流定律對宏觀的傳輸線傳輸特性進行分析，而必須用波的特性來分析它們。但是，可以對傳輸線進行分割，當傳輸線被分割成較小的線段時，它既可以用分布參量來描述，在微觀尺度上也遵循基爾霍夫定律。因此，每個被分割的單元可以用下圖所示的等效電路來描述。雙線傳輸線的等效表示1.2傳輸線等效電路表示法

把雙線傳輸線分為長度為Δz的線段。在z和z+Δz之間的小段傳輸線上，每個導體（兩根傳輸線）用電阻和電感的串聯(lián)來描述。在Δz長度內(nèi)的分割單元滿足集總參量。

分布參數(shù)：分布電阻R、分布電導G、分布電感L和分布電容C。它們的數(shù)值均與傳輸線的種類、形狀、尺寸及導體材料和周圍媒質(zhì)特性有關。1.2傳輸線等效電路表示法這種分割到微觀的表示法的優(yōu)點：能夠引入分布量描述，在微觀尺寸上的分析可以遵循基爾霍夫定律，同時也提供了一個更直觀的圖形。分布參數(shù)定義如下：分布電阻R——傳輸線單位長度上的總電阻值，單位為Ω/m；分布電導G——傳輸線單位長度上的總電導值，單位為S/m；分布電感L——傳輸線單位長度上的總電感值，單位為H/m；分布電容C——傳輸線單位長度上的總電容值，單位為F/m。

均勻傳輸線是指傳輸線的幾何尺寸、相對位置、導體材料及導體周圍媒質(zhì)特性沿電磁波的傳輸方向不改變的傳輸線，即沿線的分布參數(shù)是均勻分布的。

1.3傳輸線方程及傳輸線特征參數(shù)3．電阻R、電感L和電容C的阻抗“電阻”=R，“電抗”=0“電阻”=0，“電抗”=，為感抗“電阻”=0，“電抗”=，為容抗1.3傳輸線方程及傳輸線特征參數(shù)4．基爾霍夫定律表示傳輸線的一般方程把雙線傳輸線分割成足夠小的線段，即可建立使用基爾霍夫定律的模型。用基爾霍夫電壓定律應用于上圖的回路可得兩邊同除，取極限得

式中，R和L為雙線的組合電阻和電感。1.3傳輸線方程及傳輸線特征參數(shù)對上圖節(jié)點a應用基爾霍夫電流定律，可得同理可得由以上兩個結論公式可得1.3傳輸線方程及傳輸線特征參數(shù)由以上通解方程可以看出：（1）傳輸線上任意位置的復數(shù)電壓和電流均由兩部分組成；（2）第一項是向+z方向傳播，即由信號源向負載方向傳播的行波，稱為入射波，其振幅不隨傳輸方向變化，其相位隨傳播方向z的增加而滯后；（3）第二項是向-z方向傳播，即由負載向信號源方向傳播的行波，為反射波，其振幅不隨傳播方向變化，其相位隨反射波方向-z的增加而滯后；（4）入射波和反射波都是隨傳播方向振幅不變和相位滯后的行波；（5）傳輸線上任意位置的電壓和電流均是入射波和反射波的疊加。1.3傳輸線方程及傳輸線特征參數(shù)特性阻抗將通解帶入電壓微分式得：整理可得：電壓和電流是通過阻抗聯(lián)系起來的，引入特性阻抗Z0：當研究無耗傳輸線模型時R=G=0，特性阻抗簡化為：

1.3傳輸線方程及傳輸線特征參數(shù)將電流通解代入上述I(z)，可得結論：特性阻抗是傳輸線上入射波電壓與入射波電流之比，或反射波電壓與反射波電流之比的負值。雖然特性阻抗可以用電壓和電流比來表示，但它本身是針對于某一特定的傳輸線而言的，與負載無關。在引入特性阻抗后，我們對傳輸線方程做第一次變形得到1.4均勻無耗傳輸線工作狀態(tài)分析行波系數(shù)與駐波系數(shù)

反射波的大小除了用電壓反射系數(shù)來描寫外，還可用駐波系數(shù)或行波系數(shù)來表示。駐波系數(shù)ρ定義為沿線合成電壓(或電流)的最大值和最小值之比，即

可見，當入射波的相位與該點反射波的相位同相時，則該處合成波電壓（或電流）出現(xiàn)最大值，反之兩者相位相反時，合成波出現(xiàn)最小值，故有

1.4均勻無耗傳輸線工作狀態(tài)分析由上式可得：

或

行波系數(shù)K定義為沿線電壓(或電流)的最小值與最大值之比，即駐波系數(shù)的倒數(shù)：

三種反射系數(shù)的極端情況：（1）|Γ|?=?0，即有入射波沒有反射波時（無反射）ρ=1，K=1（2）|Γ|?=?1，即入射波完全返回（全反射）ρ=∞，K=0（3）當0<|Γ|<1時（部分反射）1<ρ<∞，0<K<1這三種狀態(tài)分別為無反射，為行波狀態(tài)；全反射，為駐波狀態(tài)；部分反射，為行駐波狀態(tài)。1.4均勻無耗傳輸線工作狀態(tài)分析行波工作狀態(tài)傳輸線上電壓為最大值的點也稱為電壓波腹點，電壓為最小值的點也稱為電壓波谷點或電壓波節(jié)點；同樣，傳輸線上電流為最大值的點也稱為電流波腹點，電流為最小值的點也稱為電流波谷點或電流波節(jié)點。傳輸線只存在入射波而沒有反射波，這種工作狀態(tài)稱為行波工作狀態(tài)。傳輸線的工作狀態(tài)取決于終端負載，行波狀態(tài)的負載條件：

即終端阻抗等于傳輸線的特性阻抗,也稱為負載完全匹配，完全匹配就是說讓負載將入射波的能量完全吸收。

在行波狀態(tài)下

1.4均勻無耗傳輸線工作狀態(tài)分析駐波工作狀態(tài)

兩個振幅相同、頻率相同、相位相同或相位差恒定的波源（相干波），在同一直線上，沿相反方向傳播時，疊加后成為駐波。駐波電壓變化如圖所示。駐波工作狀態(tài)中某些點的合成電壓永遠為零，取最小值點，這些點稱為節(jié)點。在某些點的合成電壓的振幅具有最大值，這些點稱為腹點。其他各點的合成電壓的振幅在0與最大值之間。波腹點是最大值點并不是說這一點的值是固定不變的，它也在做著簡諧運動。1.4均勻無耗傳輸線工作狀態(tài)分析駐波狀態(tài)意味著入射波功率完全沒有被負載吸收，即負載與傳輸線完全失配。在駐波狀態(tài)時，入射波等于反射波，也就|Γ|=1下面討論|Γ|=1的不同負載的幾種情況：1.短路情況短路是指，此時

在

時，輸入阻抗

可以看出在終端（z=0）時，電壓波為節(jié)點，電流波為腹點。而且電壓電流電阻有相同的變換頻率，都具有λ/2的周期性。1.5本章小結

特性阻抗Z0為