微波技术基础2007-1-传输线理论

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微波技术基础(微波技术与天线)第1章

微波技术基础(微波技术与天线)第1章
(wavelength)与自由空间的波长有以下关系:
g

2

0
r
其中, r 为传输线周围填充介质的相对介电常数。
均匀无耗传输线上的导行波为无色散波,有耗线的波为色散波。
《微波技术与天线》
第一章 均匀传输线理论之•均匀传输线方程及其解
1.2 传输线的阻抗与状态参量

当传输线特性阻抗一定时,输入阻抗与反射系数有一一对应 的关系,因此,输入阻抗可通过反射系数的测量来确定。
《微波技术与天线》
第一章 均匀传输线理论之•均匀传输线方程及其解
4. 驻波比(standing wave ratio (VSWR))
电压驻波比—传输线上电压最大 值与电压最小值之比

U U

max min


输入阻抗 —传输线上任意一点处的电压和电流之比值
Z l jZ 0 tan(z ) U ( z) Z in ( z ) Z0 I ( z) Z 0 jZ l tan(z )
均匀无耗传输线的输入阻抗为


结论
均匀无耗传输线上任意一点的输入阻抗与观察点的位置、 传输线的特性阻抗、终端负载阻抗及工作频率有关,且一 般为复数,故不宜直接测量。 由于tan(z+/2)= tan(z),所以Zin (z+/2)= Zin(z),即传输 线上的阻抗具有/2的周期性。

Z l jZ 0 tan l Z in Z 0 100() Z 0 jZ l tan l
结论:若终端负载为复数,传输线上任意点处输入阻抗一般 也为复数,但若传输线的长度合适,则其输入阻抗可变换为 实数,这也称为传输线的阻抗变换特性。
《微波技术与天线》

电磁场与微波技术第4章1-2传输线理论.ppt

电磁场与微波技术第4章1-2传输线理论.ppt

z
A2e z
I
I
z
§1.1 传输线方程
c)电压、电流的定解
始端
终端
上面两个解中的两项分别代表向+z方向和-z方向传播的电 磁波,+z方向的为入射波,-z方向的为反射波。
式中的积分常数由传输线的边界条件确定。
三种边界条件: • 已知终端电压VL和电流IL; • 已知始端的电压V0和电流I0; • 已知电源电动势EG、电源阻抗ZG 与负载阻抗ZL。
EG I0ZG V (z)
ILZL
I (z)
A1e z
1 Z0
A1e
联立求解,可得:
A2e z z A2e z
A1
EG Z0 Z G Z 0 1 G L e 2l
A2
EG Z 0L e 2l Z G Z 0 1 G L e 2l
§1.1 传输线方程
代入式中,并令d = l - z,则解为:
l
而传输线的长度一般都在几米甚至是几十米之长。 因此在传输线上的等效电压和等效电流是沿线变化的。 ——→与低频状态完全不同。
§1.1 传输线方程
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。
Gl v(z,t) Cl
v( z, t ) t
代入传输线方程,消 去时间因子,可得:
dV z dz
dI z dz
Rl I z j Ll I z GlV z j ClV z
§1.1 传输线方程
整理,可得复有效值的均匀传输线方程:
dV z dz
dI z dz

(Rl j Ll )I z Zl I z

微波技术基础 传输线理论1

微波技术基础 传输线理论1
i u Ri L z t i Gu C u z t
(2-2)
当典型Δz→0时,有
(2-3)
式(2-3)是均匀传输线方程或电报方程。
2010.9.1
如果我们着重研究时谐(正弦或余弦)的变化情况,有
u( z , t ) Re U ( z )e jt i( z , t ) Re I ( z )e jt
2010.9.1
(1-4)
一、低频传输线和微波传输线
r
r0 r0
图1-2 直线电流均匀分布
图1-3 微波集肤效应
损耗是传输线的重要指标,如果要将r0 R ,使损耗与直 流保持相同,易算出 1 R 3.03 m 2R0 也即直径是d=6.06 m。这种情况,已不能称为微波传输线,而 应称之为微波传输“柱”比较合适,其粗度超过人民大会堂的主 柱。2米高的实心微波传输铜柱约514吨重(铜比重是8.9T/m3),
同时考虑Ohm定律
V 1 Edl l R0 I Er02 r02 58 10 7 (2 10 3 )2 (1-1) . 137 10 3 / m .
代入铜材料
58 107 .
2010.9.1
一、低频传输线和微波传输线
2. 微波传输线 当频率升高出现的第一个问题是导体的集肤效应 (Skin Effect)。导体的电流、电荷和场都集中在导体表面. [例2]研究 f=10GHz=1010Hz、l=3cm、r0=2mm导线的线耗R. 这种情况下, J 0 e a ( r0 r ) J 其中, J 0 是r r0 的表面电流密度, 是衰线常数。对于良导 体,由电磁场理论可知



(2-4)

微波技术第1章

微波技术第1章
u ( z, t ) i( z, t ) R0 i( z, t ) L0 z t i( z, t ) u ( z, t ) G0 u ( z, t ) C0 z t
(4)
(5 )
微波技术与天线(microwave technique and antennas)
第1章 传输线理论(Transmission Line Theory)
对于时谐电压和电流, 可用复振幅表示为
u(z, t)=Re[U(z)e jωt]
i(z, t)=Re[I(z)e
jωt]
(6 )
将此关系带入(5)式,并消去时间因子,得
U ( z ) ( R0 jL0 ) I ( z ) z I ( z ) (G0 jC0 ) U ( z ) z
微波技术与天线(microwave technique and antennas)
第1章 传输线理论(Transmission Line Theory)
微波传输线大致可以分为三种类型。 (1)TEM波传输线:为双导体传输线, 它由两根或两根以上平
行导体构成, 因其传输的电磁波是横电磁波(TEM波)或准TEM
(3 )
根据克希霍夫定理,并忽略高阶小量后,有
i( z, t ) t u ( z, t ) di( z, t ) G0 dz u ( z, t ) C0 dz t (4)式两端同除以dz,并带入(3)式,得 du( z, t ) R0 dz i( z, t ) L0 dz
第1章 传输线理论(Transmission Line Theory)
§1.2
传输线方程及其解
1、传输线方程
传输线方程是研究传输线上电压、电流变化规律及其相互关系 的方程。它可由均匀传输线的等效电路导出。 对于均匀传输线,取一个微元段dz,其集中参数分别为R0dz、

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

微波技术基础-传输线理论(1)

微波技术基础-传输线理论(1)

电长度—传输线几何长度l 与工作波长λ的比值 l / λ
“长线”——几何长度大于信号波长或可以比拟(一般l > 0.1λ)
结论:微波频率很高,波长很短,需要用传输线理论(即 长线理论)进行分析。
11
传输线概述
➢传输线理论——“分布参数理论”
分布参数效应
需要考虑
➢传输线本身的:串联电阻/电感,并联 导纳/电容
dU (z) dz
(R
jL)I (z)
ZI (z)
dI
(z)
dz
(G
jC)U
(z)
YU
(z)
18
传输线上的波传播
➢传输线上电压与电流的波动方程
d
2U ( dz 2
z)
2U
(
z)
0
d
2I (z) dz 2
2
I
(z)
0
d 2U (z) dz 2
(R
j L)
dI (z) dz
代入
dI (z) (G jC)U (z)
G0——分布电导,两导体单位长度的并联 电导,单位为S/m
C0——分布电容,两导体单位长度的并联电 容,单位为F/m
16
传输线方程
利用Kirchhoff(基尔霍夫) 定律,有
u( z
z,
t)
u(z,
t
)
Ri(
z,
t)
L
i(z,
t
t
)
z
i(
z
z,
t
)
i(z,
t
)
Gu(
z,
t)
C
u(
z,t) t
dz
j (R jL)(G jC) ——复传播常数

微波技术第1章-传输线理论

微波技术第1章-传输线理论

E
0
(1)
法拉第电磁感应定律磁产生电
d d B in B dS dS dt dt s t s in E dl ∇ E dS
L s
B ∇ E t
(13)

(13)式的物理意义:能量守恒与能量密度、能量流入、 激励源(电流和等效磁流)和损耗之间的关系。
复数坡印廷定理
有功功率 无功功率
1 E H j (14) r i 2 1 * "E2 "H 2 r Re( E H ) [ Re( J E )] 2 2 2 (15)
2
(11)
电磁波传播的能量问题-坡印廷 矢量
• 瞬时值坡印廷定理(麦克斯韦方程导出的能量守 恒关系)
E H,
1 E H dS ( E D H B)dV J EdV (12) 2 t V S V
得标准的标量亥姆霍兹方程:
EZ k EZ 0
2 2
2 H Z k 2 H Z 0
其中
2 2 ( 2 T 2 ) z
*方程的物理意义:体现了传输系统(物质性质、系统形状
和几何尺寸)对导行波(纵向场)的“束缚”作用。
横向场的矢量方程
2 ET k 2 ET 0 2 2 HT k HT 0
E 和 J D 0 t E JD 0 t E B 0 ( J 0 ) t
(4)
麦克斯韦方程组
B ∇ E t E B 0 ( J 0 ) t

微波传输线理论

微波传输线理论

V V0e j(tz)
I
I e j(tz) 0
v(t)V0 cos(t z) i(t) I0 cos(t z)
Zin(z)Z0
t=t1 t=t2 t=t3
t
微波传输线理论
2、驻波状态(全反射状态)
(1)终端短路 ZL 0 , L 1。
V (z) j2V sin z
I (z) 2V cos z Z0
d
g d
a2
Z0
a
Z a
Z a
Z in
(Ya)
(Ya)
证明:
Zin
Za Za Za Za
Zin
Za Za 0
Z a j0 Z ta 2 g n (2 g( d ) )j0 Z ta n 2 g d ( ) j0 Z ta 2 g d n )(
Za
jZ0
2d
tan( )
g
Z a Z a jZ 0ta2 n g d) (jZ 0ta2 n g d) (0
微波传输线理论
(一)传输线方程的导出
l
i1 L1l
R1l
i1 i
v1
G1l
C1l v1 v
平行双导线取 一段微分单元
传输线微分单元等效电路
微波传输线理论
根据电路基础知识,我们可以导出传输线方程;
dv Zi 0 dz di Yv 0 dz
第一式对z再求导一次把第二式代, 入可得以下结果
这样我们就可以获得阻抗圆图。
V(z)V(z)V(z)Vejz(1 Lej(L2z))
I(z)I(z)I(z)Iejz(1 Lej(L2Z))
V V (1 ) max
I I (1 ) min
L2z0
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aw hw w hw AW
其中,hu,hv和hw为度量因子(拉梅系数)
圆柱坐标系中的旋度方程

圆柱坐标系的旋度表达式 将:
hu = hr =1 hv = hf = r hw = hz =1
代入,有
é ê 1ê Ñ´ A = ê rê ê ë
r
¶ ¶r Ar

rf
¶ ¶f

在传输线上,电压和电流是以波的形式传播
2.1.1

传输线上波的传播
—传输线方程的一般解
传输线方程的解及其意 义
z 0 z 0
V (z) V e I (z) I e
V e ( 2.6a ) I e ( 2.6b )

z 0 z 0
Z0
R jL ( 2.7 ) G jc
微波技术基础
(2010版) 教材 《微波工程》第三版 (DAVID M.POZAR)
微电子与固体电子学院
课件撰写 王鲁豫
课程内容




一 二 三 四 五 六
概述 传输线理论 传输线和波导 微波网络分析 阻抗匹配和调谐 微波谐振器


概述


1 什么是微波 2 微波技术发展的简史(自学) 3 微波技术的应用 4 本课程与相关课程的关系 5 本课程的要求和学习方法建议
第二章 传输线理论
本章要点与难点



传输线的集总元件电路模型、传输线方程的建立。 传输线方程的解及其意义,传输线上的波是怎样 传播的。 表征传输线特性的基本参量及其计算方法 端接负载对传输线工作状态的影响、描述传输线 工作状态的参量及其之间的关系。 SMITH阻抗圆图的构成与应用。 阻抗匹配的基本概念及方法。 重要的基本概念及其相互之间的关系
一、概述

微波频段的划分2(国际标准、单位为GHz)
UHF L Ls S C Xc X Ku K 0.3~1.12 1.12~1.7 1.7~2.6 2.6~3.95 3.95~5.85 5.85~8.2 8.2~12.4 12.4~18 18~26.5 Ka Q U M E W F G R 26.5~40 33~55 40~60 50~75 60~90 75~110 90~140 140~220 220~325





1 什么是微波 微波就是频率在300MHz~300GHz的电磁 波。 微波频段的划分1(美国标准)
UHF L S C X K Ku 300MHz~3GHz 1~2GHz 2~4GHz 4~8GHz 8~12GHz 12~18GHz 18~26GHz Ka U V E W F 26~40GHz 40~60GHz 50~75GHz 60~90GHz 75~110GHz 90~140GHz
反映传输线工作状态的重要参量与端接负载的 关系,以及这些重要参量沿传输线的变化规律 传输线工作状况对传输线功率传输的影响

2.3 端接负载的无耗传输线


重要概念 反射系数、电压驻波比、输入阻抗、回波损耗 重要关系 反射系数——输入阻抗 输入阻抗——特征阻抗、负载阻抗、参考面 反射系数——驻波比 传输功率——反射系数
引入新的变量l=-z,在负载端,有z=0,即
V ( 0) V V 1 I ( 0) (V0 V0 ) Z0
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
Hr = 0
= - jwm H f … (2.24a) = - jwe Er … (2.24b)
又,考虑到Eρ的解的形式,因此有:
¶h(z) = - jwm g(z)… ¶z ¶g(z) = - jwe h(z)… ¶z (2.26a) (2.26b)
同轴线的电压和电流:
V ( z ) E ( , z )d h( z )
微波技术的应用



微波半导体
4 本课程与相关课程的关系
非线性微波电路
微电子技术
电路与系统
线性微波电路
天线 微波技术
电路基础
数学物理方程
电磁场理论


• • • • •

5 本课程的要求和学习方法建议
要求: 掌握明确的基本概念 掌握基本的解决问题的方法 学习建议 注意基本概念、特别是陌生和容易混淆的概念 通过习题和实验来巩固和深化课堂的知识 多讨论、有问题及时答疑
无耗传输线的条件 传播常数 特征阻抗
0
j j LC (2.12 a)
Z0 L 1 Lv ( 2.13) C vC

对于无耗传输线,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
2.1.2 无耗传输线

传输线方程的一般解
V ( z ) V0 e jz V0 e jz (2.14 a) 1 j z I ( z) V0 e V0 e jz (2.14b) Z0

单位长电导
G " * 2 Pd V0 s E E ds 2 2
" * G E E ds( S / m) (2.20 ) 2 s V0

例2.1 同轴线的传输线参量
2.2.2 由场分析导出同轴线的电报方程
——传输线中电路量与场量的关系
1、分析前提: 同轴线内外导体为理想导体; 波传输方向为+z方向; 填充介质的介电常数为复数。

传输线上波的传播
——特征阻抗、传播常数与波长
特征阻抗(特性阻抗)

传输线的特征(特性)阻抗在数值上等于入射 电压和入射电流的比值或反射电压和反射电流 比值的负值,特征阻抗的倒数称为特征导纳, 即
V0 V0 Z0 I0 I0
I0 1 Y0 Z 0 V0

特征阻抗和特征导纳是反映传输线特性的量, 与传输线的结构有关,不要与一般概念上的阻 抗相混淆



电压和电流只有相位的滞后,没有振幅的衰减。 波长和相速:
2
2 (2.15) LC
1 v (2.16 ) LC
2.2
传输线的场分析
2.2.1 传输线参量 —传输线参量计算的一般公式


单位长度传输线的电感、电容、电阻和电导的一般计算 公式: 单位长电感
2、同轴线的特点: 传输主模 TEM模 无纵向场分量,即Ez=Hz=0 结构为角对称,即场量随角度φ无变化。
圆柱坐标系中的旋度方程

广义正交曲线坐标系的旋度表达式
au hu 1 A hu hv hw u hu Au
av hv v hv Av
L 2 Wm I 0 4
L
Wm

4
* H H ds
s

I0
2
* H H ds( H / m) (2.17 )
s
2.2

传输线的场分析
2.2.1 传输线参量 —传输线参量计算的一般公式
单位长电容
2
We
C V0 4

* We E E ds 4s
1、端接任意负载传输线上的电压和电流

无耗传输线上的输入电压 和输入电流与负载电压和 电流的关系。 由:
V ( z ) V0 e jz V0 e jz ( 2.34a ) 1 I (z) V0 e jz V0 e jz ( 2.34b) Z0


1、端接任意负载传输线上的 电压和电流
LC
V0 1 Z0 I0 2
b ln ( 2.32) a
1 * 1 * P E H ds V0 I 0 ( 2.33) 2 s 2
2.3 端接负载的无耗传输线
• •
研究意义 端接负载的特性与传输线工作状态的关系密切

r Af
ù z ú ¶ ú ú ¶z ú Az ú û
同轴线TEM模的麦克斯韦旋度方程
由麦克斯韦旋度方程,考虑到同轴线TEM模的特点, 将(2.21)式展开:
E z ( E ) j ( H H ) ( 2.22a ) z z H H z ( H ) j ( E E ) ( 2.22b ) z z E
C
V0
2
* E E ds( F / m )(2.18)
s
2.2.1 传输线参量
单位长电阻
R 2 Rs Pc I 0 2 2
R Rs I0
2
* H H dl
C1 C 2

C1 C 2
* H H dl( / m) (2.19 )
2.2.1 传输线参量
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
2.2.3
无耗同轴线的传播常数、 特征阻抗和功率流
ZW E H
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