第二章長(zhǎng)線理論.ppt

1、第二章 長(zhǎng)線理論,長(zhǎng)線理論(傳輸線理論)又稱一維分布 參數(shù)電路理論，是微波電路設(shè)計(jì)和計(jì)算 的理論基礎(chǔ)。 本章從“路” 的觀點(diǎn)出發(fā)，研究微波 傳輸線的基本傳輸特性，討論用SMITH 園圖進(jìn)行計(jì)算和阻抗匹配的方法。,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(lái)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(diǎn)： 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：,(1) TEM波(包括準(zhǔn)TEM波)傳輸線,圖2-1 TEM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

2、，但在高頻段傳輸電磁 能量損耗較大。,(2) 金屬波導(dǎo)傳輸線, 其傳輸模為T(mén)E、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(diǎn)。,(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)?輸。具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、功率能量大等優(yōu)點(diǎn)。,2. 微波傳輸線不僅能傳輸電磁能量, 還可用來(lái) 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

3、輸線截然不同。 當(dāng)傳輸線的橫向尺寸比信號(hào)波長(zhǎng)小得多、而 軸向尺寸(即長(zhǎng)度)遠(yuǎn)比信號(hào)波長(zhǎng)大時(shí), 可將傳輸線 看成一維分布參數(shù)電路。 本章討論的是指?jìng)鬏擳EM波的傳輸線，可用 雙導(dǎo)線模型進(jìn)行分析。,二、分布參數(shù)概念,1. 長(zhǎng)線與短線 相對(duì)長(zhǎng)度l / 稱為傳輸線的電長(zhǎng)度。 通常，當(dāng) ： l / 0.05 , 即 幾何長(zhǎng)度與工作波長(zhǎng)可比擬或更長(zhǎng)的稱為長(zhǎng)線； l / 0.05 , 即 幾何長(zhǎng)度與工作波長(zhǎng)相比可忽略不計(jì)的為短線。 例如：傳輸3GHz( =10cm)的同軸線 l =0.5m,為長(zhǎng)線 ；輸送市電的電力傳輸線(f=50Hz, = 6000 km)，長(zhǎng)達(dá)幾千米，為短線。,圖 2-4 電 流 ( 電

4、 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(lái)說(shuō)明長(zhǎng)、短線的區(qū)別:,圖(a)為半波長(zhǎng)的波形圖, AB l, 為“短線”， 某一時(shí)刻, AB上各點(diǎn)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(zhǎng)仍為AB，但在 某一瞬間，其上各點(diǎn)的電壓 ( 或電流 ) 的大小和 相位均有很大的變化，此時(shí)的AB應(yīng)視為“長(zhǎng)線”。,顯然，微波傳輸線屬于“長(zhǎng)線”的范疇， 故本章稱為 “ 長(zhǎng)線理論 ” ， 即微波傳輸線 基本理論。,2. 分布參數(shù)與分布參數(shù)電路,長(zhǎng)線和短線的區(qū)別還在于： 長(zhǎng)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)

5、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(jì)。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。,高頻信號(hào)通過(guò)傳輸線時(shí)會(huì)產(chǎn)生以下分布參數(shù)： 導(dǎo)體周?chē)哳l磁場(chǎng)串聯(lián)分布電感； 兩導(dǎo)體間高頻電場(chǎng)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(shí)，分布參數(shù)的影響 不容忽視。,例：設(shè)雙導(dǎo)線的分布電感 L0=0.999nH/mm， 分布電容 C0=0.01

6、11pF/mm ; 工作在 f= 50Hz時(shí)引入的串聯(lián)電抗、并聯(lián)導(dǎo)納： XLf=50Hz=L=2f L0=31410-3 /mm Bcf=50Hz=C=2f C0 =3.4910-12 S /mm 當(dāng)頻率升到5000MHz時(shí)： XLf=5000MHz=L=2f L0 =31.4 /mm Bcf=5000MHz=2f C0 =3.4910-4 S /mm 后者是前者的一億倍，其分布參數(shù)效應(yīng)不容忽視。,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(lái)研究。,三、均勻傳輸線及其等效電路,傳輸線上處處存

7、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(zhǎng)線)：分布參數(shù)沿線均勻 分布，與位置無(wú)關(guān)。,2.均勻傳輸線的分布參數(shù)： 分布電阻 R0 (/m)：?jiǎn)挝婚L(zhǎng)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) ：?jiǎn)挝婚L(zhǎng)度傳輸線段的并聯(lián)電導(dǎo)值。 與導(dǎo)線周?chē)橘|(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) ：?jiǎn)挝婚L(zhǎng)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

8、/m) ：?jiǎn)挝婚L(zhǎng)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)。,本章主要研究均勻無(wú)耗傳輸線，R0 = 0 ， G0 = 0； L0 、 C0 的計(jì)算公式見(jiàn)下表。 3. 均勻傳輸線的等效電路 對(duì)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(lái)討論，dz可作為“短線”，即集中 參數(shù)電路來(lái)處理, 并等效為一個(gè)集中參數(shù)的型網(wǎng)絡(luò)。而 整個(gè)傳輸線就可視為由許多相同線元dz的等效網(wǎng)絡(luò)級(jí)聯(lián) 而成的電路，如圖2-5所示。,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(guò)1點(diǎn)和2點(diǎn)的電流也不同。,當(dāng)接通電源后, 電流通過(guò)分布電感逐級(jí)向分布 電容充電形成向負(fù)載方向傳輸?shù)?/p>