第二章传输线理论

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第2章传输线理论

第2章传输线理论

j z
1 2Z0
(U1
I1Z0 )e
j z
(2―2―14)
同样可以写成三角函数表达式
U (z)
U1 cos z
jZ0
sin z
I
(
z)
j
U1 Z0
sin
z
I1
cos
z
(2―2―15)
第2章 传输线理论
三、入射波和反射波的叠加 由式(2―2―5)和式(2―2―6)两式可以看出,传输线 上任意位置的复数电压和电流均有两部分组成,即有
U (z)
A1e j z
A2e j z
Ui(z) Ur(z)
I
(z)ຫໍສະໝຸດ 1 Z0A1e j z
1 Z0
A2e j z
Ii(z)
Ir(z)
(2―2―16)
第2章 传输线理论
根据复数值与瞬时值的关系,并假设A1、A2为实数, 则沿线电压的瞬时值为
u(z,t) Re[U (Z )e ji ] A1 cos(t z) A2 cos(t z)
式中v0为光速。由此可见,双线和同轴线上行波电
压和行波电流的相速度等于传输线周围介质中的光速,
它和频率无关,只决定周围介质特性参量ε,这种波称为
无色散波。
第2章 传输线理论
(三) 相波长λp
相波长λp是指同一个时刻传输线上电磁波的相位相 差2π的距离,即有
p
2
vp f
vpT
0 r
(2―3―5)
第2章 传输线理论
这种路的分析方法,又称为长线理论。事实上,“场” 的理论和“路”的理论既是紧密相关的,又是相互补充 的。有些传输线宜用“场”的理论去处理,而有些传输 线在满足一定条件下可以归结为“路”的问题来处理, 这样就可借用熟知的电路理论和现成方法,使问题的处 理大为简化。

第二章-传输线理论

第二章-传输线理论

第二章 传输线理论
根据传输线上的分布参数是否均匀分布,可将其分为 均匀传输线和不均匀传输线。我们可以把均匀传输线分割
成许多小的微元段dz (dz<<λ),这样每个微元段可看作集 中参数电路,用一个Γ型网络来等效。于是整个传输线可
等效成无穷多个Γ型网络的级联
第二章 传输线理论
2 - 2 无耗传输线方程及其解 一、传输线方程
即:
( ) I (z) = Ii2e jβ z + Ir2e- jβ z = Ii2 e jβ z + e- jβ z = 2Ii2 cos β z
( ) u(z,t) =
2Ui2
sin
β
z cos ω t
+
φ 2

2
i(z,t) =
2
Ii2
cos β
z cos(ω t
+
φ) 2
第二章 传输线理论
=
-
Ur (z) Ir (z)
=
R0 + jωL1 G0 + jωC1
对于无耗传输线( R0 = 0, G0 = 0 ),则
Z0 =
L1 C1
对于微波传输线 ,也符合。
平行双线 同轴线 特性阻抗
在无耗或低耗情况下,传输线的特性阻抗为一实数, 它仅决定于分布参数L1和C1,与频率无关。
第二章 传输线理论
l = (2n +1) λ (n = 0,1,2,)
4
1.传输线上距负载为半波长整数倍的各点的输入阻抗等于负载阻抗;
2.距负载为四分之一波长奇数倍的各点的输入阻抗等于特性阻抗的
平方与负载阻抗的比值;
3.当Z0为实数,ZL为复数负载时,四分之一波长的传输线具有变换阻 抗性质的作用。

第二章 传输线理论总结

第二章 传输线理论总结

当Z0为实数时,电压入射波与电流入射波的相位 相同;电压反射波与电流反射波相位相反。
三、 传输线的特性参数
1、特性阻抗Z0
将传输线上导行波的电压与电流之比定义为传输线的 特性阻抗, 用Z0来表示, 其倒数称为特性导纳, 用Y0来表
示。
由定义得 Z 0
R1 jL1 G1 jC1
可见特性阻抗Z0通常是个复数, 且与工作频率有关。 它由传输 线自身分布参数决定而与负载及信源无关, 故称为特性阻抗。
或者
二、传输线方程
2. 时谐均匀传输线方程
a. 时谐传输线方程
对于时谐电压和电流, 可用复振幅表示为 v(z, t)=Re[V(z)e jωt] i(z, t)=Re[I(z)e jωt] 将上式代入(2.1-1)式, 即得时谐传输线方程:
dV ( z ) ( R1 jL1 ) I ( z ) Z1 I ( z ) dz (2.1-3) dI ( z ) (G1 jC1 )V ( z ) Y1V ( z ) dz Z1 R1 jL1 传输线单位长度的串联阻抗 式中 传输线单位长度的并联导纳 Y1 G1 jC1
(2.1-11)
二、传输线方程
2. 时谐均匀传输线方程
c. 电压、电流的定解
V (d ) VL chd I L Z 0 shd VL I (d ) shd I L chd Z0
写成矩阵形式:
(2.1-12)
chd V (d ) I (d ) shd Z0
无耗线 j L1C1
低耗线

0, L1C1
(2.1-22)
R1 G1Z 0 c d 2Z 0 2
(2.1-23)

微波技术基础 第2章 传输线理论

微波技术基础 第2章 传输线理论
第2章 传输线理论
内容提要
一、传输线基本概念
1、传输线的种类
2、分布参数及分布参数电路
二、传输线方程的解
1、传输线方程的解
2、入射波和反射波
三、传输线的特性参量
传播常数、特性阻抗、相速和相波长、输入阻抗、反
射系数、驻波比(行波系数)和传输功率
2020/1/23
1
西安电子科技大学
四、均匀无耗传输线工作状态的分析
,
a b
ad
D
a
W
, d
L1(H / m)
ln b 2 a
D D2 d2
ln

d
d
W
C1(F / m)
2 / ln b
a
/ ln D D2 d 2
d
W
d
R1( / m)
Rs
2

1 a

1 b

2Rs
d
2Rs W
G1(S / m)
数电路,用一个 型网络来等效。于是整个传输线可等效成 无穷多个 型网络的级联.
2020/1/23
6
西安电子科技大学
二、传输线方程
i(z,t)
L1 z
(z, t) R1 z
G1z
i(z z,t)
C1z (z z,t)
z
1) 一般传输线方程或电报方程
z,t z z,t z,t z
2
2
I (d ) VL ILZ0 e d VL ILZ0 e d I (d ) I (d )
2Z0
2Z0
V (d) ch d

I
(d

第2.1章 传输线理论

第2.1章  传输线理论

——→与低频状态完全不同。
第二章 传输线理论
传输线理论 长线理论
传输线是以TEM导模方式传 输电磁波能量。 其截面尺寸远小于线的长度, 而其轴向尺寸远比工作波长大 时,此时线上电压只沿传输线 方向变化。
一维分布参数电路理论
第二章 传输线理论
1)长线理论
传输线的电长度:传输线的几何长度 l 与其上 工作波长l的比值(l/l)。
当f =2GHz时
wLl = 2.3碬 3 / m > > Rl 10 wCl = 1.89S / m > > Gl
可忽略R和G的影响。——低耗线
第二章 传输线理论
P17表2.1-1给出了双导线、同轴线和平行板传输线的 分布参数与材料及尺寸的关系。
同轴线 a:内导体半径 b:外导体半径 m,e:填充介质 L(H/m)
①终端条件解:
边界条件: V (l ) = VL , I (l ) = I L
第二章 传输线理论
将上式代入解中: V = A e- g l + A e g l L 1 2
IL = 1 ( A1eZ0
gl
V ( z ) = A1e- g z + A2 eg z I ( z) = 1 ( A1e- g z - A2eg z ) Z0
第二章 传输线理论
2)时谐均匀传输线方程
a)时谐传输线方程 电压和电流随时间作正弦变化或时谐变化,则
电压电流的瞬时值可用复数来表示:
v ( z , t ) = V0 cos(wt + y v ( z )) = Re 轾 e jwt e jy v ( z ) = Re 轾( z )e j wt V0 V 犏 犏 臌 臌 i ( z , t ) = I 0 cos(wt + y I ( z )) = Re 轾e jwt e jy I ( z ) = Re 轾 z )e j wt I0 I( 犏 犏 臌 臌

第二章传输线理论2-Smith圆图

第二章传输线理论2-Smith圆图

C
O
开路点(D点),其坐标为(1,0)
r , x , | |1, , 0
2019/9/19
D
8
(2) 圆图上有三条特殊线
圆图上实轴CD为X=0的轨迹,
右半轴为电压波腹点的轨迹,
线上的值为驻波比ρ读数
左半轴为电压波节点的轨迹,
线上的R值为行波系数K的读数
D
最 外 面 的 单 位 圆 为 R=0 的 纯
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18
例4
测量获得
Z SC in
j106,ZiOnC
j23.6
终端接负载后输入阻抗 Zin 25 j70 求负载阻抗?
解:Z0
Z Z SC OC in in
50
z SC in

j2.12
向电源
d

2
arctg
(
z SC in
)

0.18
Y d g jb
Z d r jx
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12
r

g 1
g
2

i2

1Leabharlann 1g
2
i b=1
b=0.5 容纳
电导圆方程
i g=1 g=2
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0
b=
shorted.c
0
b=0 open.
感纳 b=-0.5
电纳圆b=方-1程
1
2. 以系统不变量|Γ|作为Smith圆图的基底.在无耗传输线中,
|Γ|是系统的不变量。所以由|Γ|从0到1的同心圆作为Smith圆 图的基底,使我们可能在一有限空间表示全部工作参数Γ 、 和ρ。 Z (d )

第二章 传输线理论

第二章 传输线理论
a
b
b
d
a
b h( z ) ln (2.27a) a
I ( z ) H ( , z)d 2g ( z)(2.27b)
0
2
从式(2.27)消去式(2.26)中的h(z)和g(z),并代入同轴线的L、 C和G,则得到同轴线电报方程:
V ( z ) jLI ( z ) (2.28a) z I ( z ) (G jC )V ( z ) (2.28b) z
注意: 在传输线上提到的波长,往往是指的是传输线的波
导波长,它与自由空间的波长不一定相同,因此对应的相
速也不相同。
2.1.2 无耗传输线
无耗传输线,有
0

j j LC (2.12a)
由此可知传输线的特征阻抗有
L v Z0 Lv (2.13) C C
上式说明,只要求出传输线的单位长度电感、电容和相 速三者中的两个,就可以求出传输线的特征阻抗。
2.2.3 无耗同轴线的传播常数、特征阻抗和 功率流
由无耗传输线的条件
R0 G0
则电场和磁场的波动方程:
2 E z 2 H
2
E 0
2
z 2
2 H 0
传播常数、波阻抗和特征阻抗和功率流
LC ZW
V0 1 Z0 I 0 2
由: 可知:
V ( 0) ZL I ( 0)
负载阻抗的特性直接关系到传输线上反射波和入射波的
变化,从而影响到传输线参考面上总电压和总电流。 当端接负载等于传输线特征阻抗时,传输线上无反射。
微波技术基础
(2007版) 教材 《微波工程》第三版 (DAVID M.POZAR)

第二章 传输线理论

第二章 传输线理论

Microwave Technique
2、低频大损耗情况(工频传输线) j R jLG jC
L R,C G
RG ,
0,
Z0
R G
传输线上不呈现波动过程,只带来一定衰减,衰减α为常数。
3、高频小损耗情况:
L R, C G
2 1
图2.1 传输线的一个长度增量(a)电压电流(b)等效电路
在1处使用KVL:
v( z ,t ) Rzi(
z
,
t
)

Lz
i
z
,
t


v(
z

z
,
t
)

0
t
在2处使用KCL:
i( z ,t ) Gzv( z z,t ) Cz vz z,t i( z z,t ) 0

(2.10)
相速
vP


f
(2.11)
Microwave Technique
电报方程解的讨论
1、一般情况:(有耗)
V ( z) V (0)ez V_ (0)ez
I ( z) V (0) ez V (0) ez
Z0
Z0
YZ j R jLG jC
引言
Microwave Technique
基本概念
长线(long line):传输线几何长度与工作波长λ可比拟,需用分布参数 电路描述。 短线(short line):传输线几何长度与工作波长λ相比可忽略不计,可 用集总参数分析。 二者分界:l/λ > 0.05 分布参数(distributed parameter):R、L、C和G 。
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Pref (0)
standing wave solution
V ( z ) = V o+ e − j β z + V o− e j β z I (z) = I e
+ o − jβ z
+I e
− o
jβ z
V o+ − jβ z V o− j β z e e = − Zo Zo
2-6

• Reflection coefficient (applications in measurement, radar, and remote sensing)
2-8

(derivation) 1 T 1 T v(z, t )i(z,t )dt = ∫ Re[V (z)e jwt ]Re[ I ( z)e jwt ]dt T ∫0 T 0 1 T1 1 = ∫ [V (z)e jwt + V * ( z)e− jwt ] [ I ( z)e jwt + I * ( z)e− jwt ]dt T 0 2 2 1 T = ∫ [V (z) I ( z)e j 2 wt + V * ( z) I * ( z)e− j 2 wt + V ( z) I * ( z) + V * ( z) I ( z)]dt 4T 0 T 1 1 = [V ( z) I * ( z) + V * ( z) I ( z)]∫ dt = 2Re[V ( z) I * ( z)]T 0 4T 4T 1 = Re[V ( z) I * ( z)] 2 1 1 1 = Re{[Vo+ e− jβz + Vo−e jβz ] [Vo+ e− jβz − Vo−e jβz ]*} = Re{[Vo+ e− jβz + Vo−e jβz ][Vo+*e jβz − Vo−*e− jβz ]} Zo 2 2Z o Pin (z) =
V − ( − l ) V o− e − jβ l Γ (−l ) ≡ + = + jβ l = Γ L e − j 2 β l = e − jβ l Γ L e − jβ l V (−l ) Vo e V o− ∵ Γ (0) = + ≡ Γ L Vo
• Input impedance (applications in circuit design) Z + jZ o tan β l V (−l ) = Zo L Z in ( − l ) ≡ I (−l ) Z o + jZ L tan β l
+ − o
wave
G + jwC
I o+
I o−
( derivation ) γ dV ( z ) = −γVo+ e − γz + γVo− e γz = − ( R + jwL ) I ( z ) → I ( z ) = (Vo+ e − γz + Vo− e γz ) dz R + jwL Vo+ − γz Vo− γz R + jwL =I ( z ) + I ( z ) = e + e ⇒ Zo = = Zo Zo γ 2-3
2-5

2.3 The terminated lossless transmission line
Zo
Source match
I(-l) Zo, Γs=0 + V(-l) Γ(-l) Z in ( − l ), Pin ( − l ) -l ΓL ZL
0 z Pinc (0) Pin (0), or Ptrans (0)
ΓL
e jβ l (1 + Γ L e j
ΓL
e − j 2β l )
e − j 2βl Γ L − 2 β l = π → V m in = V o+ (1 − Γ L )
Γ L − 2 β l = 0 → V m ax = V o+ (1 + Γ L ),
• Time-average input power flow
→ Z in (0) = Z in
( Z L + Z o ) e jβ l + ( Z L − Z o ) e − jβ l Z L ( e jβ l + e − jβ l ) + Z o ( e jβ l − e − jβ l ) e jβ l + Γ L e − jβ l = Z o jβ l = Zo = Zo e − Γ L e − jβ l ( Z L + Z o ) e jβ l − ( Z L − Z o ) e − jβ l Z L ( e jβ l − e − jβ l ) + Z o ( e jβ l + e − jβ l ) Z L cos β l + jZ o sin β l Z + jZ o tan β l = Zo L jZ L sin β l + Z o cos β l Z o + jZ L tan β l
e
0m
− αz
P + ( z ) = P + (0) e −2 αz
1m
z
2-4

2. phase constant phase velocity
β=
2π w = vp λ w β
wavelength group velocity
vp =
2π β d β −1 vg = ( ) dw λ=
3. characteristic impedance (wave impedance)
( derivation ) Z in
l=0
V o+ e jβ l + V o− e − jβ l V o+ e jβ l (1 + Γ L e − 2 jβ l ) 1 + Γ L e − 2 jβ l V (−l ) = = Z o + jβ l = Z o + jβ l = Zo I (−l ) V o e − V o− e − jβ l V o e (1 − Γ L e − 2 jβ l ) 1 − Γ L e − 2 jβ l Z − Zo 1+ ΓL V (0) ≡ ZL = Zo ⇒ ΓL = L I (0) 1− ΓL ZL + Zo
+ −
R + jwL G + jwC

time-domain solution v ( z,t ) = Vo+ e − αz cos( wt − βz + ∠ Vo+ ) + Vo− e αz cos( wt + βz + ∠ Vo− ) i ( z,t ) = I o+ e − αz cos( wt − βz + ∠ I o+ ) + I o− e αz cos( wt + βz + ∠ I o− )
Chapter 2 Transmission Line Theory
2.1 The lumped-element circuit model for a transmission line transmission line or telegrapher equation, traveling wave solution 2.3 The terminated lossless transmission line Zin, Γ, VSWR time-average power flow 2.4 The Smith chart Zin-plot conformal mapped on Γ-plot 2.5 The quarter-wave transformer frequency response, TDR 2.6 Generator and load mismatches impedance match, conjugate match 2.7 Lossy transmission lines low loss line, distortionless line perturbation method
= Zo
2-7

• Voltage standing wave ratio VSWR ≡ Vmax = 1 + ΓL
Vmin 1 − ΓL
V o+
( d eriva tio n ) V ( − l ) = V o+ e j β l + V o− e − j β l = V o+ e j β l (1 + Γ L e − j 2 β l ) = V o+ e j V ( − l ) = V o+ 1 + Γ L e j
incident
• Traveling wave solution
V ( z ) = V + ( z ) + V − ( z ) = Vo+ e − γz + Vo− e γz
I+(z) I(z)
I¯(z)
reflected wave
+ + + V V V+(z) V(z) V¯(z) I ( z ) = I + ( z ) + I − ( z ) = I o+ e − γz + I o− e γz = o e − γz − o e γz Zo Zo - + − V R + jwL Vo z ⇒ Z ≡ = = − o : characteristic impedance
Discussion: 1. attenuation constant
V + (1m) = V + (0m) e −α α = ln V + (0m) V (1m)
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