第8章-1 雙導(dǎo)體傳輸線同軸線

18.1

均勻傳輸線理論8.2

雙線傳輸線的阻抗與狀態(tài)參量8.3同軸線的特性阻抗第8章雙導(dǎo)體傳輸線－TEM波傳輸系統(tǒng)返回主目錄2均勻傳輸線理論

微波傳輸線：用以傳輸微波信息和能量的各種形式的傳輸系統(tǒng),它的作用是引導(dǎo)電磁波沿一定方向傳輸,因此又稱為導(dǎo)波系統(tǒng),其所導(dǎo)引的電磁波被稱為導(dǎo)行波。截面、媒質(zhì)分布、材料及邊界條件均不變的導(dǎo)波系統(tǒng)稱為規(guī)則導(dǎo)波系統(tǒng),又稱為均勻傳輸線。導(dǎo)行波傳播的方向稱為縱向,垂直于導(dǎo)波傳播的方向稱為橫向。無(wú)縱向電磁場(chǎng)分量的電磁波稱為橫電磁波，即TEM波。傳輸線本身的不連續(xù)性可以構(gòu)成各種形式的微波無(wú)源元器件,這些元器件和均勻傳輸線、有源元器件及天線一起構(gòu)成微波系統(tǒng)。2023/2/13導(dǎo)行波波型的分類1.橫電磁波(TEM波)此傳輸模式?jīng)]有電磁場(chǎng)的縱向場(chǎng)量，即Ez=Hz=0。2.橫電波(TE波)或磁波(H波)

此波型的特征是Ez=0,Hz≠0，所有的場(chǎng)分量可由縱向磁場(chǎng)分量Hz求出。3.橫磁波(TM波)或電波(E波)

此波型的特征是Hz=0，Ez≠0，所有的場(chǎng)分量可由縱向電場(chǎng)分量Ez求出。4

微波傳輸線大致可以分為三種類型。第一類是雙導(dǎo)體傳輸線,由兩根或兩根以上平行導(dǎo)體構(gòu)成,其傳輸?shù)碾姶挪ㄊ菣M電磁波（TEM波）或準(zhǔn)TEM波,故又稱為TEM波傳輸線,主要包括平行雙線、同軸線、帶狀線和微帶線等。雙導(dǎo)線隨著工作頻率的升高，其輻射損耗急劇增加，故雙導(dǎo)線僅用于米波和分米波的低頻段。微帶線可采用印刷電路制作技術(shù)，在微波集成電路中得到廣泛利用。同軸線沒(méi)有電磁輻射，工作頻帶很寬。第二類是均勻填充介質(zhì)的金屬波導(dǎo)管,因電磁波在管內(nèi)傳播,故稱為波導(dǎo),主要包括矩形波導(dǎo)、圓波導(dǎo)、脊形波導(dǎo)和橢圓波導(dǎo)等,如圖所示，TE/TM模。5波導(dǎo)是用金屬管制作的傳輸線，電磁波在管內(nèi)傳播，損耗很小，主要用于3GHz一30GHz的頻率范圍。第三類是介質(zhì)傳輸線,因電磁波沿傳輸線表面?zhèn)鞑?故稱為表面波波導(dǎo),主要包括介質(zhì)波導(dǎo)、鏡像線和單根表面波傳輸線等,如圖所示，例如光纖?；旌夏！?介質(zhì)波導(dǎo)主要用于毫米波到光波波段，光纖就是介質(zhì)波導(dǎo)。7

均勻傳輸線分析:一種是場(chǎng)分析法,即從麥克斯韋方程出發(fā),求出滿足邊界條件的波動(dòng)解，分析傳輸特性;

第二種是等效電路法,即從傳輸線方程出發(fā),求出滿足邊界條件的電壓、電流波動(dòng)方程的解,得出沿線等效電壓、電流的表達(dá)式,進(jìn)而分析傳輸特性。前一種方法較為嚴(yán)格,但數(shù)學(xué)上比較繁瑣,后一種方法實(shí)質(zhì)是在一定的條件下“化場(chǎng)為路”,有足夠的精度,數(shù)學(xué)上較為簡(jiǎn)便,因此被廣泛采用。本章從“化場(chǎng)為路”的觀點(diǎn)出發(fā),建立傳輸線方程,導(dǎo)出傳輸線方程的解。88.1導(dǎo)行電磁波傳播模式及其傳播特性該無(wú)源，將上式代入如下的麥克斯韋方程組時(shí)諧電磁波沿z軸傳播，均勻?qū)Рㄏ到y(tǒng)：得到關(guān)于三個(gè)分量的6個(gè)標(biāo)量方程，及場(chǎng)量間的關(guān)系：2023/2/19橫向場(chǎng)分量與縱向場(chǎng)分量的關(guān)系10對(duì)于TEM波，因?yàn)镋z

=0，Hz

=0，所以1.TEM波其波阻抗及相速度分別為11代入波動(dòng)方程對(duì)于TEM波TEM波在橫截面上的電磁場(chǎng)分布滿足拉普拉斯方程，因此橫截面上的電磁場(chǎng)特性與靜態(tài)場(chǎng)一樣。所以，導(dǎo)行波的場(chǎng)可用二維靜態(tài)場(chǎng)分析法求出。TEM波只能在建立靜態(tài)場(chǎng)的多導(dǎo)體導(dǎo)波系統(tǒng)中傳播，而不能在單導(dǎo)體導(dǎo)波系統(tǒng)中傳播。12

假設(shè)單導(dǎo)體波導(dǎo)中能夠傳播TEM波，由于磁感線完全在橫截面內(nèi)，而且是閉合線在理想介質(zhì)波導(dǎo)中沒(méi)有縱向的傳導(dǎo)電流和位移電流與麥克斯韋第一方程矛盾2.TM波TM波，Ez0，Hz=013其波阻抗為3.TE波TE波，Ez=0，Hz

014其波阻抗為

在導(dǎo)波情況下，波阻抗不僅與導(dǎo)波系統(tǒng)填充媒質(zhì)的參數(shù)有關(guān)，還與導(dǎo)波頻率有關(guān)，而且不同的波型，波阻抗也不同。15+-+I-8.2平行雙線傳輸系統(tǒng)電報(bào)方程161.特性阻抗代入：電壓和電流波動(dòng)方程172.理想雙線傳輸線的反射系數(shù)0zlZlz=0處的反射系數(shù)：傳播速度及波長(zhǎng):18利用反射系數(shù)為z＝l處的反射系數(shù)負(fù)載指向波源端z＝－l處的反射系數(shù)為

當(dāng)電壓最大時(shí)電流最小，或反之；相鄰最大值之間的距離為λ/2，相鄰最大值與最小值之間的距離為λ/4。193.理想雙線傳輸線中波的輸入阻抗z=-l

處的輸入阻抗：駐波系數(shù)：20+-+I-電報(bào)方程特性阻抗z=-l

處的輸入阻抗：211)終端負(fù)載等于特性阻抗時(shí)的入端阻抗特點(diǎn)

沿線各點(diǎn)入端阻抗等于特性阻抗，與線長(zhǎng)無(wú)關(guān)，這種情況稱為傳輸線匹配。4.不同負(fù)載下傳輸線段的性質(zhì)及應(yīng)用222）終端短路：ZL＝0：0zlZlZin23特點(diǎn):入端阻抗具有純電抗性質(zhì)2425

實(shí)際應(yīng)用中可用的無(wú)損短路線等效替代一個(gè)電感。

用等于四分之一波長(zhǎng)的奇數(shù)倍的短路線，阻抗無(wú)窮大，作為理想的并聯(lián)諧振電路。二分之一波長(zhǎng)的整數(shù)倍的短路線，阻抗為零，作為理想的串連諧振電路。UI263）終端開(kāi)路：ZL＝：27特點(diǎn):入端阻抗具有純電抗性質(zhì)2829

實(shí)際應(yīng)用中可用的無(wú)損開(kāi)路線等效替代一個(gè)電容。

用等于四分之一波長(zhǎng)的奇數(shù)倍的開(kāi)路線，阻抗為零，作為理想的串聯(lián)諧振電路。二分之一波長(zhǎng)的整數(shù)倍的開(kāi)路線，阻抗無(wú)窮大，作為理想的并聯(lián)諧振電路。304）/4阻抗變換器l=/4輸入阻抗與ZL互為倒數(shù)關(guān)系。稱為/4阻抗變換器31當(dāng)l＝/2或l＝n/2時(shí)特點(diǎn)

負(fù)載阻抗經(jīng)過(guò)/2無(wú)損耗傳輸線變換到輸入端后仍等于其本來(lái)的阻抗，說(shuō)明傳輸線上的阻抗分布具有/2的周期性。5）/2

線段的入端阻抗5.雙線傳輸線的電磁場(chǎng)分布雙線傳輸線的電壓、電流與電場(chǎng)、磁場(chǎng)之間的關(guān)系32ET、HT為TEM波的橫向分量，U為兩導(dǎo)線之間（M與N點(diǎn)）的電壓338.3同軸線

同軸線的結(jié)構(gòu)與坐標(biāo)348.3.1同軸線主模TEM波的性質(zhì)1.同軸線中的場(chǎng)方程該方程的一般解為:

邊界條件35同軸線中TEM波的橫向場(chǎng)分量為式中E0是電場(chǎng)的振幅，η是TEM波的波阻抗。電報(bào)方程362.傳輸參數(shù)

設(shè)同軸線內(nèi)、外導(dǎo)體之間的電壓為U(z)，內(nèi)導(dǎo)體上的軸向電流為I(z)，則由特性阻抗的定義可知其特性阻抗ZC為37其相移常數(shù)β和相速vp分別為(c=光速)其波導(dǎo)波長(zhǎng)(相波長(zhǎng))為383.傳輸功率與衰減設(shè)z=0時(shí)，內(nèi)、外導(dǎo)體之間的電壓為U0，398.3.2同軸線中的高次模對(duì)于同軸線內(nèi)的TE或TM高階模來(lái)說(shuō)，其截止波數(shù)kc所滿足的方程都是超越方程，嚴(yán)格求解是很困難的，一般采用近似的方法得到其截止波長(zhǎng)的近似表達(dá)式。對(duì)于TM波，最低波型為TM01，其截止波長(zhǎng)λc(E01)=2(b-a)。當(dāng)m≠0、n=1時(shí)，對(duì)于TE波，其截止波長(zhǎng)為40TE11最低波型為H11，其截止波長(zhǎng)為在m=0時(shí)，TE01模的截止波長(zhǎng)為8.3.3同軸線尺寸的選擇1.保證同軸線中單模(TEM)傳輸為了保證在同軸線中只傳輸TEM波，其工作波長(zhǎng)與同軸線尺寸的關(guān)系應(yīng)滿