《同軸線和微帶線》PPT課件.ppt

1、同軸線,同軸線是由兩根同軸的園柱導體構成的導行系 統(tǒng)，內導體的外半徑為b(d=2b)、外導體的內半徑為 a(D=2a)，兩導體間填充空氣(硬同軸線)或相對介電 常數為 er 的高頻介質(軟同軸線，即同軸電纜)。,同軸線是一種雙導體導行 系統(tǒng)，可傳輸TEM波, 以TEM 波為工作模廣泛用作寬頻帶饋 線與設計寬帶元件。但當其橫 向尺寸可與工作波長相比擬時， 同軸線中也會出現TE、TM模, 這是實用中所不希望的。,一、 同軸線的TEM模,TEM模是同軸線的主模，是無色散波，其傳輸特 性在長線理論中已從電路的角度討論過。下面，將從 場的角度討論之。 1. 場分布 TEM波，Ez=Hz=0，fc = 0

2、，分布函數應滿足,與二維靜態(tài)場一致，只要用解相應二維靜態(tài)場的 方法求出,當內、外導體間充滿介質( mr、er)時,設有一恒定電流 I 流過內導體(同軸線無限長)， 則根據安培定律，有,1) 用靜態(tài)場求分布函數,代入(3-115)得TEM波的行波解為,2) TEM模的場分布如圖所示,2. 特性阻抗,對TEM波（無色散波），沿z向的單一行波電流為 導體表面的縱向電流線密度的積分,電壓是內、外導體間電場的線積分,特性阻抗,3. 傳輸功率P與功率容量Pmax,設擊穿電壓強度為Ebr，擊穿將首先在電場最強的內導體表面( r = b )處發(fā)生, 則,4. 衰減常數,ac為導體損耗的衰減常數，對于空氣介質的

3、同軸 線(硬同軸線)中，TEM波的 a ac 。為求a ，需先算 出長度為L的一段同軸線的衰減功率PL。同軸線內、 外導體表面的切向(j 向)的磁場分別為,則,將上式及式（3-122）代入（3-83）,ad為介質損耗的衰減常數，對于軟同軸線，其中 填以高頻介質，應考慮 ad 。,二、同軸線的高次模 可將同軸線視為同軸波導，取園柱坐標r, j , z ； 電磁波在 b r a 范圍內傳輸，這其中還可能存在 無限多種色散的高次模，分析方法與園波導相同， 只是比園波導多一個內導體，不存在 r = 0 的區(qū)域， 其通解中包含紐曼函數Yn(u)，求解場分布和 lc 更復 雜。下面僅給出有關 lc 的近似

4、計算式。,同軸線所有高次模中, lc最大的是 模：,當 n 0、i =1 , D/d4 時,要保證TEM單模傳輸，則,即工作波長應大于同軸線內、外導體的平均周長。 隨著l的縮短( f 上升)，應減小同軸線的尺寸，而過 小的尺寸又導致損耗增大、傳輸效率降低。故同軸 線不宜用于微波的高頻端作功率傳輸。 三. 同軸線尺寸的選擇 應考慮三個因素： 1.保證TEM單模傳輸,1.1 是為了有效地抑制高次模而引入的安全系數。,最高可利用頻率： 由,2. 通過功率最大 令D/d =x , (3-123)式中，由,可見，獲得最大功率容量和獲得最小衰減系數的 條件不同，具體使用時，要根據實際需要確定以哪 一個為主

5、。如遠距離傳輸希望a 越小越好，而大功 率傳輸則要注意同軸線的功率容量。對于空氣介質 的同軸線，習慣上采用特性阻抗為75W和50W兩種； 75W接近a 最小的要求； 50W則兼顧通過功率大和 a 小這兩個要求的折中考慮，此時取D/d=2.3, a 比 amin約大10%, 功率容量比最大值約小15% 。,3. 衰減系數最小 令D/d =x , (3-124)式中，由,微帶線,微帶線由介質基片上的導帶和基片下的接地板構 成，整個微帶線用薄膜工藝制作而成，其中基片采 用介電常數高、高頻損耗小的陶瓷、石英或藍寶石 等介質材料，導帶材料為良導體。,微帶線結構 簡單、體積小、 重量輕、加工方 便，又便于

6、與微 波固體器件接 成一體, 容易,實現微波電路的小型化和集成化，在微波集成電路中,微帶線屬于半敞開式、部分填充介質的雙導線傳輸 線，可看作是由平行雙線演變而來的，如圖所示。在平,平行雙線演變成微帶線,體軋成薄導帶， 且在導帶與導 電平板之間填 充介質，即成 標準的微帶線。,獲得了廣泛的應用。,行雙線對稱面上放一無限薄的導電平板，由于電力線垂 直于導電平板，因此并不影響原來的場分布；去掉下面 的一個導體，導電平板上的場分布也不變；再將圓柱導,1) 微帶線傳輸的主模,微帶線是雙導體系統(tǒng)，如果沒有介質基片，由于 導體周圍是均勻的空氣，可以存在無色散的TEM模。 然而，實際的微帶線是制作在介質基片上

7、的，由于增 加了介質與空氣的界面，使問題復雜化。用電磁場理 論可證明，在兩種不同介質的傳輸系統(tǒng)中，不可能存 在單純的TEM模, 而只能存在TE模和TM模的混合模。 但在微波波段的低頻端，由于場的色散現象很弱，場 的縱向分量很小可忽略，傳輸模式類似于TEM模， 故稱為準TEM模。,2) 微帶線的特性參量,實用微帶線一般工作在低頻弱色散區(qū)，其工作模 式準TEM模與無色散的TEM模非常接近，作為一級 近似，可當作TEM模來分析，這種分析方法稱為“準 靜態(tài)分析法”。 對TEM模，根據長線理論,對于如圖(a)的空氣微帶線，傳輸TEM模的vp = v0 = c(光速)，設它的單位長度分布電容為C01，則其

8、特 性阻抗為,當微帶線周圍全部用介質(er)填充(如圖(b)時，,對于實際微帶線(如圖(c)，其中傳輸波的相速一 定在,其單位長度分布電容,故其特性阻抗一定在,分析微帶線特性的示意圖,為此，引入一種等效介質，其等效相對介電常數 用ere 表示，1 ere er , 用這種等效介質均勻填充微帶 線(如圖(d) ，并保持其尺寸和特性阻抗與原來的實際 微帶線相同，即,由式 (3-132a) 可見，微帶特性阻抗Z0的計算歸結為 求空氣微帶線的特性阻抗Z01和等效相對介電常數ere。 應用保角變換確定實際微帶線的分布電容C0和空 氣微帶線的分布電容C01, 兩者之比為等效相對介電常 數,式中q 為填充因

9、子，表示介質填充的程度, 0 q 1。 q =0 ，則ere=1，表示導帶周圍全部填充空氣； q =1 ， 則ere= er ，表示導帶周圍全部填充相對介電常數為er 的介質。q 是微帶線尺寸w/h 的函數，w 為導帶寬度， h 為基片厚度。,也可把ere寫成如下形式,q 的計算公式為,由空氣微帶線的分布電容C01, 再根據式(3-132b)可 算出空氣微帶線的特性阻抗Z01，其近似結果為,實際計算很繁雜。 左圖給出了Z01 及 q 隨 w/h 變化的曲線。實際 微帶線的Z0可應用逼近 法查圖求得，也可以在 微波工程手冊中查Z0和 er、w/h 的關系曲線或 表格。,Z01、q w/h 變化的

10、曲線,3) 微帶線的色散特性和尺寸設計考慮,上述討論的Z0和ere的計算公式是假定微帶線傳輸 TEM模，并用準靜態(tài)方式得到的。只有在頻率較低 時，才能滿足一定的精度；當頻率較高時，微帶線中 的傳輸模不是TEM模，而是TE和TM的混合模。微 帶線中電磁波的傳播速度是頻率的函數，使得Z0和ere 將隨頻率而變化，頻率越高， ere 越大， Z0 越低。 當頻率f 低于某一臨界頻率f0時，微帶線的色散 可以不予考慮。,當工作頻率提高后，微帶線中除了傳輸準TEM 模外，還會出現高次模。據分析，當微帶線的尺寸 w、h 給定時，最短工作波長只要滿足以下條件，就 可保證微帶線中主要傳輸準TEM模。,本 章

11、提 要,1. 微波傳輸線是引導電磁波沿一定方向傳輸的系 統(tǒng), 又稱導波系統(tǒng)。麥克斯韋方程和邊界條件決定了 導行波在導波系統(tǒng)中的電磁場分布規(guī)律和傳播特性。 2. 導行波按縱向場分量的有無分為TE波、TM波 和TEM波三種類型。前兩種是色散波，一般在金屬 波導中傳播；TEM波是非色散波，一般在雙導體系 統(tǒng)中傳播。 3. 均勻金屬波導不能傳輸TEM波，其基本波型 是TEmn和TMmn，只有滿足條件l fc 的模 才能在相應導波中傳播，否則被截止。,4. 理想波導的傳輸特性有,式中l(wèi)c 為截止波長,波阻抗,矩形波導中的電磁波型的傳輸特性,(1). “高通低不通”,(2). 色散,(3). 多模,(4). 矩形波導中的主模為TE10 ( H10 ),實現單一TE10模傳輸必須滿足的條件：,一般取 1.6 a l 1.05 a。,(5). 簡并,5. 波導系統(tǒng)中場結構必須滿足下列規(guī)則：電力線 一定與磁力線垂直，兩者與傳輸方向滿足右手螺旋法 則；波導金屬壁上只有電場的法向分量和磁場的切向 分量；磁力線一定是封閉曲線。 (重點要求掌握矩形波導H10模的場結構圖和壁電 流分布圖。) 6. 各類傳輸線內傳輸的主模及其截止波長和單模 傳輸的條件列于下表：,作業(yè)：補充題,1. 計算聚苯乙烯( er=2.1)同軸電纜的