《電磁波與天線仿真與實(shí)踐》課件-電波與天線知識(shí)點(diǎn)9 傳輸線

《電磁波與天線仿真及實(shí)踐》課件本次課內(nèi)容傳輸線基本概念傳輸線的工作狀態(tài)傳輸線基本參數(shù)傳輸線基本概念電磁波的有線傳輸即是將電磁信號(hào)從發(fā)射端通過一根有線傳輸線送到接收端去。傳輸線是傳輸電磁能的一種裝置。最常見的低頻傳輸線是輸送50Hz交流電的電力傳輸線，它把電能從發(fā)電廠輸送給用戶。

結(jié)構(gòu)：它由兩根平行導(dǎo)線構(gòu)成，其間的絕緣介質(zhì)起固定作用。特點(diǎn)：平行線制作筒單，成本低。雙線當(dāng)頻率升高時(shí)，很易向空間輻射；此外線阻升高，熱損耗加大。所以平行雙線一般適用于300ＭＨｚ以下的信號(hào)傳輸。雙線傳輸線上傳輸?shù)氖菣M電磁波(ＴＥＭ波)。雙線傳輸線分類：同軸線又叫同軸電纜分為半剛性、半柔性、柔性和波紋銅管電纜特點(diǎn)：可將電磁場全部屏蔽在內(nèi)外導(dǎo)體之問，避免了平行雙線的輻射損耗，提高了工作效率。相比較而言，同軸線具有連接方便，體積小等長處。同軸線內(nèi)傳輸?shù)娜匀皇牵裕牛筒āＩ唐冯娎|有SYV型、SWY型和SJDV型，特性阻抗有50Ω、75Ω等標(biāo)準(zhǔn)電纜可供選擇，非標(biāo)準(zhǔn)電纜的特牲阻抗在高頻工作時(shí)特性阻抗進(jìn)行估算.

同軸線傳輸線（一）、

常用同軸電纜型號(hào)的介紹如圖中“S”表示同軸射頻電纜,“Y”表示絕緣介質(zhì)為聚乙烯,“V”表示保護(hù)套材料為聚氯乙稀,“75”表示特性阻抗為75歐姆?！?2-1”代表線的直徑大小型號(hào)。這是比較常見的一種電纜。常用電纜介紹分類代號(hào)－絕緣介質(zhì)材料代號(hào)－護(hù)套材料代號(hào)－派生特性－特征阻抗－絕緣介質(zhì)芯現(xiàn)外徑整數(shù)值－屏蔽層。分類代號(hào)：S－同軸射頻，SE－射頻對(duì)稱電纜，ST－特種射頻電纜。絕緣介質(zhì)材料：Y－聚乙烯、F－聚四氟乙烯（F46）、X－橡皮、W－穩(wěn)定聚乙烯、D－聚乙烯空氣、U－氟塑料空氣護(hù)套材料代號(hào)：V－聚氯乙稀、Y－聚乙烯、W－物理發(fā)泡、D－錫銅、F－氟塑料；派生特性：Z－綜合/組合電纜（多芯）、P－多芯再加一層屏蔽鎧裝；特性阻抗：50歐姆、75歐姆、120歐姆。絕緣介質(zhì)芯線外徑整數(shù)值：以毫米為單位1、2、3、4、5......屏蔽層：一般屏蔽層有一層、兩層、三層及四層。

常用電纜介紹同軸射頻電纜接頭的制作結(jié)構(gòu)：它由導(dǎo)電性能良好的金屬（如紫銅）制成。從外觀看它就是一根金屬空管（很象用水管輸送水一樣），常用的有矩形和圓形兩種。特點(diǎn)：避免了同軸線導(dǎo)體的損耗，又避免了平行線的輻射損耗，因此波導(dǎo)被廣泛用與大功率微波信號(hào)的傳送。波導(dǎo)傳輸線的缺點(diǎn)是體積大，重量重，加工困難，因此不易與小型化和集成化。波導(dǎo)內(nèi)傳輸?shù)碾姶艌鼋Y(jié)構(gòu)與雙線、同軸線不同，沿傳播方向（縱向）具與電場或磁場分量。

波導(dǎo)傳輸線微帶線的基本結(jié)構(gòu)在高頻介質(zhì)(如高頻陶瓷)基片上，一面全部敷上導(dǎo)電板，而另一面敷上帶狀導(dǎo)電條。前者使用時(shí)該導(dǎo)電板通常接地，所以又稱接地板。微帶線內(nèi)傳輸?shù)氖菧?zhǔn)TEM波電磁能是在介質(zhì)基片內(nèi)傳送的，其電磁場結(jié)構(gòu)接近橫電磁波，所以稱為準(zhǔn)TEM波。由于微帶線具有體積小，重量輕，易于集成化的優(yōu)點(diǎn)，被廣泛用于微波電路中。微帶線微帶線分類及演變（一）對(duì)稱微帶（帶狀線）（二）不對(duì)稱微帶（標(biāo)準(zhǔn)微帶）

帶狀線標(biāo)準(zhǔn)微帶微帶線

基于微帶線的微波器件光纖電纜目前用于傳輸激光信號(hào)的唯一傳輸線一光纖波導(dǎo)(又稱光纖電纜)，它一般由纖芯與多層包層組成。纖芯部分折射率高，包層部分折射率低，也就是說折射率沿徑向呈階梯狀，而沿軸向是均勻分布。光纖波導(dǎo)因具有頻帶寬,傳輸容量大,損耗小,重量輕且輔設(shè)方便等優(yōu)點(diǎn)而得到重視和應(yīng)用，被稱為“信息高速公路”。光纖的損耗主要來自于多模工作傳輸線基本參數(shù)

傳輸線的參數(shù)

傳輸線有長線、短線之分。長線和短線都是相對(duì)于電磁波波長而言的。長線：指傳輸線的幾何長度比其上傳輸?shù)碾姶挪ǖ牟ㄩL比值（電長度）大于或接近于1短線：指傳輸線的幾何長度比其上傳輸?shù)碾姶挪ǖ牟ㄩL比值（電長度）小于1，例如：在微波領(lǐng)域中，1m的傳輸線對(duì)于1000MHz(波長30cm)的電磁波而言屬于_________(長/短)線在電力系統(tǒng)中，1000m的傳輸線對(duì)于50Hz(波長6000km)的交流電而言屬__________(長/短)線長線傳輸線在傳輸信號(hào)時(shí)具有分布參數(shù)的特點(diǎn)。在高頻情況下，傳揄線是具有分布參數(shù)的電路。傳輸線的參數(shù)

要不要考慮參數(shù)的分布性，取決于其本身的線性尺寸與表征其內(nèi)部電磁過程的波長之間的關(guān)系。若滿足電長度大于或接近于1，需作為分布參數(shù)電路處理。當(dāng)高頻信號(hào)通過傳輸線時(shí)將產(chǎn)生如下一些分布參數(shù)效應(yīng)分布電阻效應(yīng)：導(dǎo)體表面流過的高頻電流產(chǎn)生趨膚效應(yīng)，使導(dǎo)線有效導(dǎo)電截面減少，高頻損耗電阻加大，而且沿線各處都存在損耗，這就是分布電阻效應(yīng)；分布電導(dǎo)效應(yīng)：導(dǎo)線周圍介質(zhì)非理想絕緣體而處處存在著漏電，這就是分布電導(dǎo)效應(yīng)；分布電感效應(yīng)：導(dǎo)線中通過高頻電流時(shí)周圍存在高頻磁場，磁場也是沿線分布的，這就言分布電感效應(yīng)；分布電容效應(yīng)：導(dǎo)線間有電壓，存在間著高頻電場，電場也是沿線分布的，這就是分布電容效應(yīng)。根據(jù)傳輸線的分布參數(shù)是否均勻分布，可將其分為均勻傳輸線和不均勻傳輸線均勻傳輸線的分布參數(shù)有四個(gè)：單位長分布電阻（R0）單位長分布電導(dǎo)（G0）單位長分布電感（L0）和單位長分布電容（C0）它們的值取決于傳輸線的型式、尺寸、導(dǎo)體材料和周圍介質(zhì)參數(shù)。當(dāng)傳輸線上載高頻信號(hào)，傳輸線選良導(dǎo)體制作時(shí)，不妨認(rèn)為傳輸線是無耗的

傳輸線上的電壓和電流一般情況下由入射波和反射波兩部分迭加而成，即

U（z）=U入（Z）+U反（Z）I（z）=I入（z）+I反（z）

微帶線一端短路傳輸線的傳播常數(shù)■α=衰減常數(shù)，表示每經(jīng)過單位長度后電磁波振幅衰減的參數(shù)，量綱為奈培/米（Np/m）。若考慮傳輸線損耗，則α≠0。■β=相移常數(shù)，表示每經(jīng)過單位長度后行波相位滯后的弧度數(shù)，量綱為弧度/米（rad/m）。即為電磁波沿傳輸線傳播單位長度的相移，β=2π/λ。■γ=傳播常數(shù)。它一般為一復(fù)數(shù)，它表示電磁波每經(jīng)單位長度后振幅和相位的變化，其實(shí)部α為衰減常數(shù)，其虛部β為相移常數(shù)。即：γ=α+jβ對(duì)于無耗傳輸線，有下式成立：α=0；β=ω傳輸線的特性阻抗

可以證明，當(dāng)傳輸線上載行波時(shí)，其沿線電壓與電流的比值是一個(gè)常數(shù)，該常數(shù)被定義為傳輸線的特性阻抗，記作Z0

Z0==-在無耗情況下，傳輸線的特性阻抗近似為純電阻，僅決定于傳輸線的形式、尺寸和介質(zhì)的參數(shù)有關(guān)。

例如，商品同軸線（電纜）特性阻抗有50Ω、75Ω標(biāo)準(zhǔn)電纜可供選擇

傳輸線的輸入阻抗

輸入阻抗是傳輸線理論中一個(gè)很重要的概念，它可以很方便地分析傳輸線的工作狀態(tài)。傳輸線上某點(diǎn)向負(fù)載方向“看”的輸入阻抗定義為該點(diǎn)總電壓與總電流之比。其中β=2π/λ在傳輸線上該點(diǎn)跨接一個(gè)等于輸入阻抗Zin的負(fù)載阻抗，則該點(diǎn)左側(cè)線上電壓和電流完全不受到影響，即兩種情況是等效的。

傳輸線的反射系數(shù)

一般來講，傳輸線工作時(shí)線上即有入射波還有反射波，為了表征傳輸線的反射特性，可引入“反射系數(shù)”的概念。均勻無耗傳輸線上某處的反射波電壓（電流）與入射波電壓（電流）之比定義為該處的電壓（電流）反射系數(shù)，即

由于電壓反射系數(shù)較易測定，因此常用電壓反射系數(shù)，并用符號(hào)Γ(z)表示。顯然，反射系數(shù)模的變化范圍為0≤|Γ(z)|≤1。

在波導(dǎo)系統(tǒng)中定義反射系數(shù)為反射波場強(qiáng)值與入射波場強(qiáng)值之比。Γ(z)=反射系數(shù)與輸入阻抗反射系數(shù)與輸入阻抗都是描述傳輸線工作狀態(tài)的重要參數(shù)，它們之間有一定的轉(zhuǎn)換關(guān)系：

傳輸線終端反射系數(shù)，亦稱為負(fù)載反射系數(shù)，記為ΓL

傳輸線的駐波比

為了定量評(píng)價(jià)傳輸線的反射情況，除了用反射系數(shù)來描述外，還常常采用能直接測量的電壓駐波比（VSWR）來衡量。電壓（或電流）駐波比定義為沿線電壓（或電流）最大值與最小值之比，即

故駐波比的變化范圍為

波導(dǎo)中駐波比定義為電場強(qiáng)度的最大值和最小值之比,用SWR表示，以區(qū)別電壓駐波比VSWR。SWR=駐波比是衡量負(fù)載匹配程度的一個(gè)指標(biāo)反射系數(shù)的定義我們知道，反射系數(shù)的取值范圍是0~1，而駐波系數(shù)的取值范圍是1~正無窮大。射頻很多接口的駐波系數(shù)指標(biāo)規(guī)定小于2.0。駐波比惡化意味著信號(hào)反射比較厲害，也就是說負(fù)載和傳輸線的匹配效果比較差。所以在一個(gè)系統(tǒng)中，如果駐波比很差，可能會(huì)使信號(hào)傳輸效果變差，通道增益下降。一個(gè)比較典型的例子就是靈敏度問題。傳輸線的駐波比傳輸線的參數(shù)回波損耗

回波損耗也是射頻上用得比較多得一個(gè)名詞，它和前面得反射系數(shù)、駐波比都是用來反映端口得匹配狀況的。回波損耗表示端口的反射波的功率與入射波功率之比?；夭〒p耗與反射系數(shù)的關(guān)系為：

回波損耗＝-20log|

|dB 由公式可以計(jì)算：回波損耗為26dB時(shí)，對(duì)應(yīng)的反射系數(shù)為0.05，駐波比為1.1。由此也可以估計(jì)一下，駐波為2時(shí)的回波損耗是多少（9.5dB），也就可以理解對(duì)于功放后級(jí)的駐波要求為何嚴(yán)格。傳輸線的參數(shù)練習(xí)題傳輸線特性阻抗50Ω，終端接75Ω負(fù)載,傳輸線中電磁波的波長λ=1m。求:（1）距離傳輸線終端0.25λ處的輸入阻抗？（2）傳輸線終端反射系數(shù)和駐波比?傳輸線特性阻抗50Ω，終端接75Ω負(fù)載,傳輸線中電磁波的波長λ=1m。求:距離傳輸線終端0.25λ處的輸入阻抗、傳輸線終端反射系數(shù)和駐波比?輸入阻抗傳輸線終端反射系數(shù)和駐波比練習(xí)題解析傳輸線工作狀態(tài)

傳輸線的工作狀態(tài)

其工作狀態(tài)分為三種：行波狀態(tài)；駐波狀態(tài)；行駐波狀態(tài)。

1、行波狀態(tài)當(dāng)傳輸線的負(fù)載阻抗ZL等于特性阻抗Zo時(shí)，終端反射系數(shù)

這時(shí)線上只有入射波，沒有反射波，入射功率全部被負(fù)載吸收。線上載行波(只有入射波，無反射波)，輸入阻抗處處相等，都等于特性阻抗Zo

波導(dǎo)里的行波傳輸線的工作狀態(tài)2、駐波狀態(tài)當(dāng)傳輸線終端短路，開路或接電抗負(fù)載時(shí)，∣ΓL∣=1，表示線上發(fā)生全反射，這時(shí)負(fù)載并不消耗能量，而把它全部反射回去。此時(shí)線在完全失配狀態(tài)，出現(xiàn)了入射波和反射波相互迭加而形成的駐波。波導(dǎo)一端短路時(shí)的駐波駐波、行波對(duì)比

駐波狀態(tài)下：電壓波腹處是電流波節(jié)點(diǎn)(此處電壓達(dá)最大值,而電流值等于零)，電壓波節(jié)點(diǎn)處是電流波腹點(diǎn)，電壓節(jié)點(diǎn)