传输线理论2-射频电路与天线-褚庆昕
射频电路与天线实验
射频电路与天线实验课程名称：射频电路与天线实验英文名称：Experiment of Radio Frequency Circuits and Antennas学分：1课程总学时：32 实验学时：32 （其中，上机学时：0 ）课程性质：□必修☑选修是否独立设课：☑是□否课程类别：□基础实验☑专业基础实验□专业领域实验含有综合性、设计性实验：☑是□否面向专业：信息工程、电子科学与技术（物理电子学）、电子科学与技术(微电子技术) 、集成电路设计与系统集成、电类联合班先修课程：电磁场与电磁波、射频电路与天线大纲编制人：褚庆昕王云一、教学信息教学的目标与任务：通过实验教学了解射频系统的基本构成，熟悉射频与微波元器件的工作原理，掌握典型射频电路的设计、测量以及调试方法，掌握典型射频测量仪器的使用方法。
通过实验，熟练掌握传输线理论和射频电路基本理论，为开发和设计射频电路打下基础。
教学基本要求：正确理解实验原理和实验方案，熟练使用频谱分析仪等射频测量设备，掌握传输线、功分器、耦合器、滤波器、放大器、天线等简单射频模块的指标参数测量方法。
考核方式：预习、考勤、实验纪律、操作占30% ，实验报告占70% 。
选作综合实验适当加分。
二、教学资源实验指导书与参考书[1]褚庆昕、王云等著，《射频电路与天线实验指导书》，华南理工大学，.2007。
[2]李绪益著，《微波技术与微波电路》，广州：华南理工大学出版社，2007.3。
多媒体教学资源（课程网站、课件等资料）三、实验内容与学时安排说明：1. 实验方式：“实物实验”指让学生调试仪器设备、拆卸安装、加工、分析测试等实际操作形式做的实验；。
射频电路与天线-第二讲-传输线(1)-20110831
vp 0
t2
t1
z1
2 Antennas & RF Techniques Research Institute of
z
z
South China University of Technology
说明 e j z 表示沿正z方向以 v p 速度传输的波。 通常称为入射波或正向波。 由于 v p 反映了波的等相位面传播的速度，所以 也称为波的相速度。 同理， e j z 表示沿负z方向以 v p传播的波。通常 称之为反射波或反向波。
式中， Z c Z 0
Y0
称为传输线的特性阻抗。 称为传输线的传播常数。
Z 0Y0
通常设
j
则 称为衰减常数， 称为相移常数。
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沿负z向传播但振幅衰减的波。
传输线上的电压是入射波和反射波电压之和
U A1e z A2 e z U i U r
传输线上的电流是入射波和反射波电流之和
1 ( A1e z A2 e z ) I i I r I Zc
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在频域，设时间因子为 e 于是，频域的电报方程为
j t
， j t
U ( R0 j L0 ) I Z 0 I z I (G0 jC0 )U Y0U z
不难得到，频域波动方程为
传输线理论射频电路与天线褚庆昕
South China University of Technology 2.2 无耗传输线的特解特解是指在特定边界条件下，传输线上电 压电流的解。
对于传输线，通常的边界条件有：终端条件、源端条件和电源、阻抗条件。
I z−l 0U L U I gI l l 0U g z E gZ gSouth China University of Technology 1. 终端边界条件已知代入通解，为0022 e j β l= U l + Z c I l e -j β l= U l - Z c I l U +U -得到U( z = l ) = U l ,I( z = l ) = I ll 00l 00I =1(U +e - j β l -U -e j β l)U = U +e - j β l+ U -e j β l Z cSouth China University of Technology为了简化解的形式，采用坐标变换 计及复数Euler 公式，最后得z ' = l - z U( z ' ) = U l cos β z ' + jZ c I l sin β z 'I( z ' ) =j U l sin β z ' +I cos β z 'l Z c 于是U( z ) = 1 (U + Z I )e j β ( l - z ) + 1 (U - Z I )e - j β ( l - z )22112Z 2Z l c l l c l I( z ) = (U + Z I )e j β ( l - z ) -(U - Z I )e - j β ( l - z ) l c l l c l c cSouth China University of Technology简洁的语言往往是深奥理论的源泉－P.S. LaplaceSouth China University of Technology 线上任一点往负载看去的反射系数定义为e 2 j β z= U 0U U 0e -2 j β (l - z )Γ(z ) = U = U l U l --++-+－负载反射系数反射波与入射波之比z ' = l - z Γ(z ') = Γe -2 j β z 'L — 负载端的入射波电压— 负载端的反射波电压U l = U 0 e +- j β l +于是U - = U -e l 0j β l U l ΓL =U l -+其中其中South China University of Technology于是，距离负载l 处的反射系数为无耗传输线上反射系数的模不变。
射频电路与天线-Smith圆图-褚庆昕
Research Institute of Antennas & RF Techniques射频电路与天线（一）RF Circuits & Antennas第4讲Smith圆图褚庆昕华南理工大学电子与信息学院天线与射频技术研究所TEL: 22236201-601Email:qxchu@yyResearch Institute of Antennas & RF Techniques So u thC h i n a U n i v e r s i t yo fT e c h n o l o g y今天，计算机计算已变得非常容易，精度远远高于作图法。
但是，并不能说作图法就无用了，更不能说圆图就可以淘汰了，因为圆图不仅可以简化计算，更重要的是可以提供清晰的几何概念和物理意义。
Smith圆图已成为分析和设计RF/MW电路的常用工具，许多设计软件和测量仪器都使用Smith圆图。
y4.1.1 反射系数圆与相位射线yl平面内（实部为横坐标，虚部为竖坐标）y ()1l Γ=≤常数φ＝常数Γ平面2βl Γ( l )lyResearch Institute of Antennas & RF TechniquesS o u t h C h i n a U n i v e r s i t y o f T e c h n o l o g y ()l φ0.1l α=y归一化阻抗圆yyResearch Institute of Antennas & RF TechniquesS o u t h C h i n a U n i v e r s i t y o f T e c h n o l o g yr圆开路点短路点匹配点Research Institute of Antennas & RF TechniquesSo ut h C h i n a U n i v e r s i t y o f T e c h n o l o g yx 圆Smith阻抗圆图yySmith阻抗圆图Research Institute of Antennas & RF TechniquesySmith 导纳圆图1.yResearch Institute of Antennas & RF TechniquesSo u t h C h i n a U n i v e r s i t y o f T e c h n o l o g y但要注意，同时要做下列变换：¾开路点和短路点互换。
5G基站天线面临的电磁兼容问题及对策
PERSPECTIVE褚庆昕 华南理工大学教授，博士生导师，中国电子学会会士，IEEE Fellow，中国电子学会天线学会副主任委员，享受国务院政府津贴。
主讲的本科生课程《射频电路与天线》2009年被评为国家精品课程。
已出版专著1部，发表学术论文600余篇，SCI他引4 000余次。
多篇文章入选了国际天线和微波领域ESI高被引论文。
2013年以来，每年入选爱思唯尔发布的中国高被引学者（电气与电子工程）。
已获授权中国发明专利70余件，20多件已实现成果转让。
目前的研究领域包括新一代无线通信中的天线与微波技术等。
目前，5G移动通信已初步实现商用。
一方面，由于2G、3G、4G和5G系统兼容使用，导致上述系统的基站天线需共存使用，因此加剧了数量庞大的基站天线与日益紧张的站址资源之间的矛盾。
另一方面，为了实现5G信号的高效覆盖，5G基站天线系统采用大规模MIMO阵列，需要在有限的空间布置上百个天线单元。
这势必会导致基站运营成本的增加。
为了减少基站的数量，并降低基站的运营成本，业内一个有效的方法是使用多频段多阵列共口径基站天线，即通过紧凑的阵列布局，将2G、3G、4G、5G频段的天线阵列一体化，共用一个反射板和天线罩。
该方法实现了多个网络制式的信号覆盖与通信，并能充分利用原有的基站站址资源。
但随之而来的问题是，多个频段的天线阵列置于一个有限的空间之内，势必引起严重的电磁干扰。
5G基站天线面临的EMC问题和挑战（1）同频天线单元之间的耦合干扰5G基站天线采用的大规模MIMO阵列可以有效地提高通信容量，同时结合多波束技术，实现信号的有效覆盖。
但较小间距的阵列单元，造成了较强的同频耦合干扰，导致天线阵列的失配、方向图畸变、单元间隔离度恶化，阵列的波束扫描能力降低等问题。
一种有效的去耦方案是在同频单元之间添加金属隔板或引入电磁带隙等结构，降低同频天线单元之间的耦合干扰，其基本原理实质上是中和线技术，即在耦合区域中人为地引入另一条耦合路径，让该路径上的信号恰好抵消原耦合信号，起到中和作用，如图1所示。
射频电路
射频电路一、教学信息课程的性质：《射频电路》课程是电子与通信工程等专业的一门重要的专业课。
其任务是学习射频信号的产生、传输、变换、检测、测量技术及电磁波的辐射与接收。
《射频电路》主要讲述射频电路的内容。
课程的目的与教学基本要求：课程的目的是通过这门课程的学习，学生可以掌握射频电路与天线的基本原理，并具备分析能力与初步的设计能力，为无线通信、光纤通信、移动通信等课程提供技术基础。
通过这门课的学习，要求学生熟练掌握传输线理论，了解波导和谐振腔的基本知识，掌握微波网络理论，了解各种射频电路的工作原理，掌握天线的辐射原理和天线的基本参数，了解各种线天线和面状天线的工作原理。
考核方式：总分数100分，平时作业考勤占总分数30% ，期末闭卷考试占总分数70%。
二、教学资源教材[1]李绪益著，《微波技术与微波电路》，广州：华南理工大学出版社，2007.3。
[2]褚庆昕著，《射频电路与天线》（讲义），2008。
三、教学内容、要求与学时分配按各章节列出主要内容，注明课程教学的难点和重点，对学生掌握知识的要求，以及学时的分配1 第一部分、传输线理论（1）传输线的纵向问题-传输线理论（8学时）主要内容：传输线方程及其解、无耗传输线上的行波与驻波、驻波比、反射系数、不同负载时无耗传输的工作状态、圆图及其应用。
基本要求：理解长线的概念，理解传输线方程及其解的意义，熟练掌握传播常数、特性阻抗、反射系数、驻波比的物理意义，熟练掌握无耗传输线上反射系数、驻波比、输入阻抗的特点与相互关系，掌握不同负载时无耗传输线的工作状态，掌握阻抗圆图和导纳圆图的构成，熟练应用传输线理论解决传输线问题，熟练应用圆图求解传输线问题。
重点：无耗传输线上反射系数、驻波比、输入阻抗的意义、特点和相互关系，无耗传输线问题的求解，圆图计算。
（2）传输线的横向问题（8学时）主要内容：传输线横向问题与纵向问题的分解，几种常用传输线的横向问题分析方法和特征参数公式，包括矩形波导、圆波导、同轴线、带状线、微带线等。
具有4个传输零点的源-负载耦合滤波器
得该 滤波 器可产 生 ４个独立 于带宽和 中心频 率的 可控 零 点． 中最后 设计 和 制作 了一 个 文
带 内最小测量插损 为 １４ Ｂ、 对带 宽为 １％ 、 有 ４个传输 零点 的小型微 带 滤波器 ， ． 相 ｄ ０ 具 并
对其进行 了测试 ， 测试结果 与仿真 结果吻合 良好 ， 明这种设计 方法是 有效的． 说
Ｏｃｏ ｒ ２ Ｏ ｔｂｅ Ｏ１
（ ｔｒｌ ｃ ｎ ｅＥ ｉｏ ） Ｎａ ａ Ｓ ｉ ｃ ｄｔ ｎ ｕ ｅ ｉ
文章编号 ： ００５５ ２ １ ）００ １－５ １０ －６ Ｘ（００ １—０ ４０
具有 ４个传输 零点 的源 一负载耦合滤波器 水
褚 庆 昕 范莉
（ 华南理工大学 电子与信息学院 ， 广东 广州 ５０４ ） １６ ０
通带特性 的情况下 ， 在通 带外 引 人有 限频 率 传输 零 点， 已经成 为 同时 实现 滤波 器 高选 择性 和小 尺寸 的
为 了解决现有 滤波器 结构 中存 在的传输 零点可
重 要手段 ¨ Ｊ传输零 点能 够 改善 阻带 的 特性 ， 小 ｛． 减
滤 波器的 阶数 ， 而在选 择性不变 的条件 下 ， 从 减小滤 波器 的带 内插损 和滤波器 尺寸．
的方 向发展 ． 了节 约频 带资 源 ， 高抗 干扰 能 力 ， 为 提
一
波长谐 振器也 难 以实 现 良好 的 滤波 器通 带 特性．
文献 ［ ］ ６ 中用 一个 四阶 的源 一负 载耦合 滤 波器 实现
各 种通信 系统对滤 波器 性 能 的要 求也 越来 越 高． 高
选择 性 、 小尺 寸 、 低损耗 和低成本 的射频带 通滤波器
摘
要 ： 了得 到 高选择 性 、 为 小尺寸 、 低损 耗和 低成 本 的射 频 带通 滤波 器 ， 出 了一 种具 提
第8讲天线的馈电
第Research Institute of Antennas & RF TechniquesSchool of Electronic & Information Engineering第8讲内容yResearch Institute of Antennas & RF Techniques8.1 引言yResearch Institute of Antennas & RF Techniques8.2 考虑阻抗匹配的馈电方法yResearch Institute of Antennas & RF TechniquesyResearch Institute of Antennas & RF TechniquesyResearch Institute of Antennas & RF TechniquesyResearch Institute of Antennas & RF Techniques8.3 巴伦yResearch Institute of Antennas & RF Techniquesu t h C h i n a U n i v e r s i t y o f T e c h n o l o g y Research Institute of Antennas & RF Techniques 同轴馈电由于有部分电流到同轴线的外表yResearch Institute of Antennas & RF TechniquesyResearch Institute of Antennas & RF TechniquesyResearch Institute of Antennas & RF TechniquesyResearch Institute of Antennas & RF TechniquesL是四分之一波长yResearch Institute of Antennas & RF Techniquesy Research Institute of Antennas & RF Techniques /4L RyResearch Institute of Antennas & RF TechniquesS o u t h C h i n a U n i v e r s i t y o f T e c h n o l o g yResearch Institute of Antennas & RF Techniques 宽带微带切割式巴伦：yResearch Institute of Antennas & RF TechniquesyResearch Institute of Antennas & RF TechniquesyResearch Institute of Antennas & RF TechniquesyResearch Institute of Antennas & RF TechniquesyResearch Institute of Antennas & RF TechniquesyResearch Institute of Antennas & RF TechniquesS o u t h C h i n a U n i v e r s i t y o f T e c h n o l o g yResearch Institute of Antennas & RF Techniques 巴伦和变压器的结合yResearch Institute of Antennas & RF TechniquesyResearch Institute of Antennas & RF Techniques。
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2017-5-24
简洁的语言往往是深奥理论的源泉
South China University of Technology
－P.S. Laplace
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于是 (z) L e2 j z
z l z
其中
Ul L Ul
－负载反射系数
于是，距离负载l 处的反射系数为
Le 2 j l
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且
L
无耗传输线上反射系数的模不变。
线上任一点往负载看去的反射系数定义为
U 0 (z) U e2 j z U U0
Ul e2 j (l z ) Ul
反射波与入射波之比
j l U U — 负载端的入射波电压 0e 其中 l U U e j l — 负载端的反射波电压 l 0
1/4波长阻抗倒置性
由上式不难得到下面的几个重要关系
1 Z in Z c 1
Zin Zc Zin Zc
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ZL Zc L ZL Zc
2.4 无耗传输线的工作状态
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于是
U( z ) 1 (U l Zc Il )e j ( l z ) 1 (Ul Zc Il )e j ( l z ) 2 2 1 1 (U Z I )e j ( l z ) j ( l z ) I( z ) (U l Zc I l )e l c l 2Z c 2Z c
当 ZL Zc 时，L 0 ，即匹配时
U U U 0 e j z
j z U U 0 e I Zc Zc
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无反射波，即行波状态 电压与电流同相
在时域
u(t, z) U0 cos(t z 0 ) i(t, z) 1 u(t, z) Zc
U max
Umin
1 1
线上电压最大值与 电压最小值之比
匹配时，
1
全反射时， ➢ 驻波比不可能小于1 ρ ≥ 1
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2.3 无耗传输线的阻抗
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因此 又因
Z in (l n ) Zin (l) 2
半波长阻抗重复性
为
tan( l n ) tan1 [l (2n 1) ] tan1 l 2 4 2 Z 所以 Z in [l (2n 1) ] c 4 Z in (l)
U 其中 0 — 源端的入射波电压
U0 — 源端的反射波电压
I
g
U
U
U
Zg
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UL
Eg
Uin
0
l
z
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显然，输入阻抗以为周期
tan( l n ) tan (l n ) tan (l n ) tan l 2
引入反射系数概念后，电压、电流可表示为
U U (1 ) I U (1 ) Zc
同理
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反映负载失配状态的另一个量是电压驻波比 (voltage standing wave ratio，VSWR)， 定义为
上节分析了传输线上的通解。实际中，当端 接不同负载时，会呈现不同的状态。 设入射波从源发出（z=0），无耗传输线上的 电压、电流为
- j z U U0 e j z U e U U 0
I 1 (U0 e j z U0-e j z ) I I Zc
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为了简化解的形式，采用坐标变换 计及复数Euler公式，最后得
U( z ) Ul cos z jZc Il sin z I( z ) j Ul sin z Il cos z Zc
z l z
行波状态即传输线匹配状态，这时传输效率最 高、功率容量最大、无反射，因此是传输系统 追求的理想状态。
2.2 无耗传输线的特解
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特解是指在特定ຫໍສະໝຸດ 界条件下，传输线上电 压电流的解。 对于传输线，通常的边界条件有：终端条 件、源端条件和电源、阻抗条件。
Zg
Ig
Ug
I
U
UL
Il
Eg
z
− 0 l
0 l
z
1. 终端边界条件 已知 U( z l ) Ul ,I( z l ) Il 代入通解，为
U U 0 1 I U 0 ZC
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电压电流振幅沿线不变 相位随线长增加而连续滞后 阻抗沿线不变，等于特性阻抗 负载吸收了全部功率
j z
0 , 1
Zin ZL Zc
P P Pi L n
传输线上电压与电流的通解为
U U U U0 (e j z Le j z ) 为什么是L ?不是 I 1 U 0 (e j z L e j z ) Zc
但传输线上的具体解是由传输线两端的边界条 件决定的。
I U 0
U U
Zc
l
ZL
z
2.4.1 行波状态
U U e j l U e j l
l 0 0
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I Z1 (U e j l U e j l )
l
c
0
0
得到
U 0 Ul Zc Il e j l 2 U 0 Ul Zc Il e j l 2