微波技術(shù)基礎(chǔ)電子科大第12次課.ppt

1、微波技術(shù)基礎(chǔ),詹銘周 副教授 電子科技大學(xué)電子工程學(xué)院 地點(diǎn)：清水河校區(qū)科研樓B336 電話：61830860 電郵：,第三章總結(jié),微波集成傳輸線：定義 傳輸線的類型，支持的導(dǎo)波類型（微帶準(zhǔn)TEM） 微波集成傳輸線的特點(diǎn)，優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用場(chǎng)合 分析方法：場(chǎng)（第二章（重點(diǎn)）與路（第五章（重點(diǎn)）的區(qū)別,集成傳輸線總結(jié),微波集成傳輸線分析方法,分析方法有兩類：解析方法和數(shù)值解法 目標(biāo)，傳輸線的特性阻抗和傳播常數(shù)。 1、解析方法準(zhǔn)靜態(tài)法 把主模當(dāng)成純TEM分析，通過(guò)計(jì)算結(jié)構(gòu)的靜電容得出結(jié)果。包括：保角變換、變分法、有限差分和積分方程。準(zhǔn)靜態(tài)法在低頻情況下完全能滿足工程設(shè)計(jì)的需求。 2、數(shù)值方法全波分析法（麥

2、方程求解困難的時(shí)候） 考慮所有混合模式。積分方程方法，譜域法，以及時(shí)域有限差分法（FDTD） 等，有限元法等。 全波分析方法更嚴(yán)格，可精確計(jì)算出與頻率相關(guān)的參數(shù)。,第五章內(nèi)容,傳輸線定義？微波傳輸線形式？ 如何利用傳輸線理論的路導(dǎo)波理論的場(chǎng)聯(lián)系起來(lái)？ 微波系統(tǒng)的復(fù)雜性（模式多，場(chǎng)解復(fù)雜）等效電路法可以簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)過(guò)程。 研究對(duì)象從場(chǎng)解（E、H等）路相關(guān)的參量（U、I、L、C、R、G、Z0等） 分布參數(shù)與集中參數(shù)的區(qū)別？ 電報(bào)方程與端接條件？,第5章 傳輸線的電路理論,5.1 引言 傳輸線的實(shí)例包括：連接運(yùn)營(yíng)商和有線電視、有線電話之間的電纜或者光纖，連接發(fā)射機(jī)和天線之間的饋電線，人腦中的視神經(jīng)與神經(jīng)

3、網(wǎng)絡(luò)也是傳輸線。 傳輸線的實(shí)例還有很多，只要是能夠在兩點(diǎn)之間傳送能量或者信息的網(wǎng)絡(luò)或者結(jié)構(gòu)都可以作為傳輸線的實(shí)例被列舉出來(lái)。 微波傳輸線定義：連接激勵(lì)源和負(fù)載的網(wǎng)絡(luò)，用于把電磁能量或者電磁信息從一處傳送到另一處。,發(fā)電廠,用戶家中,交流電頻率 (f) is 50 Hz 波長(zhǎng) (l) is 5 106 m,高壓傳輸線,傳輸線的形式1,信號(hào)頻率 (f) 5 GHz 波長(zhǎng) (l) 6 cm,微帶線,帶狀線,傳輸線的形式2,選擇何種形式的傳輸線必須根據(jù)其應(yīng)用場(chǎng)合和目的，例如，用于傳輸兆瓦級(jí)電磁能量的高功率傳輸線必須具有高功率容量和低損耗特性，一般都非常笨重；然而，我們電腦中的CPU就很輕巧，并具有很高

4、的電路布線密度，里面的微細(xì)互聯(lián)線就必須要精確設(shè)計(jì)才能滿足傳輸電磁信息的需求。在電子工程的應(yīng)用中，傳輸線的選擇決定于很多因素，例如工作頻率、功率容量、損耗和電路拓?fù)涞鹊取?我們研究的傳輸線是微波傳輸線 嚴(yán)格來(lái)講：傳輸理論源于（準(zhǔn)） TEM波的導(dǎo)波系統(tǒng)的研究 這是第五章內(nèi)容的前提。 廣義傳輸線：TE，TM怎么等效，多?；旌嫌秩绾蔚刃?？,一般微波傳輸線的要求：,能量損耗小，工作頻帶寬，功率容量大，傳輸效率高，尺寸小和成本低。 例如，微波頻段用得較多的傳輸線形式是同軸線、矩形波導(dǎo)、圓波導(dǎo)、帶狀線和微帶線。在實(shí)際工程應(yīng)用中，從傳輸性能上考慮，工作在米波和分米波的低頻段范圍內(nèi)，可采用雙導(dǎo)線或同軸線；在厘米

5、波段可采用空心金屬波導(dǎo)管、帶狀線、同軸線和微帶線等；在毫米波范圍內(nèi)可采用空心金屬波導(dǎo)管、同軸線、介質(zhì)波導(dǎo)、介質(zhì)鏡像線和微帶線；在光波段范圍采用光纖。,研究傳輸線的目的微波電路與系統(tǒng)的分析方法：場(chǎng)解法和微波等效路法。,場(chǎng)解法根據(jù)邊界和初始條件求電磁場(chǎng)波動(dòng)方程的解，得出電磁場(chǎng)隨時(shí)間和空間的變化規(guī)律； 微波等效電路法利用分布參數(shù)電路的理論（傳輸線的電路模型）來(lái)分析電壓波（對(duì)應(yīng)電場(chǎng)）和電流波（對(duì)應(yīng)磁場(chǎng)）隨時(shí)間和空間的變化規(guī)律。,兩種分析方法的對(duì)比 場(chǎng)解法分析問(wèn)題具有普遍性, 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的元件，分析起來(lái)也是相當(dāng)繁瑣，復(fù)雜結(jié)構(gòu)的元件就更難以進(jìn)行。 為了尋求分析復(fù)雜微波系統(tǒng)傳輸特性的簡(jiǎn)單方法，工程上發(fā)展了微波

6、等效電路法簡(jiǎn)單但是足夠精確。 微波等效電路法又稱傳輸線電路理論，亦稱分布參 數(shù)電路理論，將電磁場(chǎng)的問(wèn)題，在一定條件下化為電 路的問(wèn)題來(lái)求解，即 “化場(chǎng)為路”，使問(wèn)題得以簡(jiǎn)化。,第5章 傳輸線的電路理論,傳輸線電路理論是微波電路設(shè)計(jì)和微波網(wǎng)絡(luò)理論的基礎(chǔ)。,微波等效電路的具體做法是,實(shí)際的微波系統(tǒng)都是均勻?qū)Рㄏ到y(tǒng)和不均勻區(qū)構(gòu)成。 1、根據(jù)均勻?qū)Рㄏ到y(tǒng)是引導(dǎo)電磁波的作用而將其等效為具有分布參數(shù)的均勻傳輸線。 2、根據(jù)不均勻性（依據(jù)高次模不傳播，局域存在，虛功），一般是儲(chǔ)能與耗能而把它們等效為集總參數(shù)網(wǎng)絡(luò)，不同結(jié)構(gòu)的不均勻性等效為不同結(jié)構(gòu)和不同性質(zhì)的網(wǎng)絡(luò)。 3、確定均勻?qū)Рㄏ到y(tǒng)與不均勻區(qū)的分界面。,5

7、.2 分布參數(shù)的概念,分布參數(shù)電路是相對(duì)于集總參數(shù)電路而言的，集中參數(shù)電路和分布參數(shù)電路的分界線可以認(rèn)為是l/0.05。 分布參數(shù)電路與集總參數(shù)電路的區(qū)別,分布參數(shù)電路與集總參數(shù)電路的區(qū)別,集總參數(shù)電路: 在頻率很低時(shí)，電路的物理尺寸遠(yuǎn)小于工作波長(zhǎng)。這個(gè)條件暗示了當(dāng)負(fù)載通過(guò)一段傳輸線接在激勵(lì)源后時(shí)，電壓會(huì)瞬時(shí)出現(xiàn)在負(fù)載上而不存在時(shí)延，同時(shí)，也暗示了集總參數(shù)的器件，如，電感、電容和電阻的尺寸也都遠(yuǎn)小于工作波長(zhǎng)，我們可以推斷出在元器件兩側(cè)的電壓沒(méi)有相位差。整個(gè)電路的電能集中在電容器里，磁能集中在電感線圈里，損耗集中在電阻上，電路和元器件的體積和相對(duì)距離在低頻電路里從來(lái)就不予考慮。,低頻的集總參數(shù)帶

8、通濾波器，關(guān)心每一個(gè)元器件的值，與傳輸線無(wú)關(guān)。,分布參數(shù)電路與集總參數(shù)電路的區(qū)別,分布參數(shù)電路：當(dāng)元器件的尺寸與波長(zhǎng)可比擬時(shí)，電磁場(chǎng)（幅度相位）不僅隨時(shí)間變化，而且同時(shí)隨空間位置變化，電磁波在電路中傳輸?shù)臏笮?yīng)顯著。傳輸線就不能再簡(jiǎn)單的認(rèn)為只是電路上兩點(diǎn)之間的連接方式，而應(yīng)該等效為具有分布參數(shù)的電路網(wǎng)絡(luò)，線上各點(diǎn)的電位不同，處處有儲(chǔ)能和損耗，導(dǎo)體上存在有損耗電阻、電感，導(dǎo)體間存在分布電容和漏電導(dǎo)。在設(shè)計(jì)時(shí)必須把傳輸線作為電路的一部分來(lái)考慮。,電路尺度與工作波長(zhǎng)的關(guān)系決定了是分布還是集中,When does a Tline become a T-Line?,Whether it is a bu

9、mp or a mountain depends on the ratio of its size (tline) to the size of the vehicle (signal wavelength),Similarly, whether or not a line is to be considered as a transmission line depends on the ratio of length of the line (delay) to the wavelength of the applied frequency or the rise/fall edge of

10、the signal,毫米波頻段的分布參數(shù)帶通濾波器，關(guān)心每段傳輸線的尺寸，傳輸線構(gòu)成了一定的功能電路，實(shí)現(xiàn)元器件。,分布參數(shù)電路1,94GHz單平衡混頻器。在高頻傳輸線替代低頻的集總元件，可實(shí)現(xiàn)電路元件功能。,分布參數(shù)電路2,回顧傳播模式和等效的前提,傳輸線上的電磁場(chǎng)分布和電磁場(chǎng)的相互作用決定于傳輸線的幾何結(jié)構(gòu)，通常由傳輸線所支持的傳輸模式來(lái)表征。圖1中所示的8種常見的傳輸線可以分為三類。雙導(dǎo)線、同軸線和帶狀線支持TEM模。微帶線和共面波導(dǎo)是微波毫米波電路中常見的平面?zhèn)鬏斁€，支持的是準(zhǔn)TEM模，矩形波導(dǎo)和元波導(dǎo)以及槽線支持非TEM模。,由于準(zhǔn)TEM與TEM的電磁場(chǎng)分布極為相似，在分析時(shí)，一般

11、將這兩種傳輸線歸為一類，用TEM傳輸線的方法進(jìn)行分析。 TEM模的一個(gè)重要特性就是電磁場(chǎng)垂直于傳播方向，場(chǎng)分布與靜場(chǎng)相同，電壓、電流和特性阻抗可以由電磁場(chǎng)唯一確定。另外，傳輸線參數(shù)，如，單位長(zhǎng)度的電感和電容等也可以由電磁場(chǎng)唯一定義，這樣，傳輸線理論就把集總參數(shù)電路理論用來(lái)解決一般的電磁場(chǎng)問(wèn)題（化場(chǎng)為路）。 最后，矩形波導(dǎo)，圓波導(dǎo)和槽線支持的是非TEM模，單導(dǎo)體系統(tǒng)也無(wú)法確定對(duì)應(yīng)電壓波和電流波。在這次課，我們只研究TEM模傳輸線的分布參數(shù)電路理論，對(duì)于波導(dǎo)系統(tǒng)的分布參數(shù)理論在以后的課程中介紹。,5.3 傳輸線方程及其解,為了建立嚴(yán)格的電磁場(chǎng)分析和電路理論的聯(lián)系，建立了傳輸線的分布參數(shù)電路模型，傳

12、輸線理論由此發(fā)展起來(lái)。單值電壓波電流波去替代電磁場(chǎng)作為研究對(duì)象。 TEM波傳輸線等效電路模型為,思考：雙實(shí)線代表的涵義- 電路上的等效,可認(rèn)為是同軸，雙導(dǎo)線，帶狀線微帶線等（不準(zhǔn)確的）。 準(zhǔn)確的講，是一種導(dǎo)波系統(tǒng)，還包括單導(dǎo)體傳輸線，金屬矩形波導(dǎo)，介質(zhì)波導(dǎo)等。用雙實(shí)線，是為了便于用路的觀點(diǎn)（傳輸線分布參數(shù)理論）來(lái)分析導(dǎo)波系統(tǒng)。 關(guān)心的是任意參考面處的電路參數(shù)，不再考慮場(chǎng)的問(wèn)題。,具體做法就是：將電氣上的大長(zhǎng)尺寸分成無(wú)數(shù)個(gè)電氣上的短尺寸來(lái)研究。取傳輸線，在線上任意點(diǎn)z處取線元dz來(lái)研究，dz可以足夠短（遠(yuǎn)小于工作波長(zhǎng)），這樣，傳輸線上的分布參數(shù)效應(yīng)可用串聯(lián)阻抗Z1dz和并聯(lián)導(dǎo)納Y1dz的集總參數(shù)

13、電路來(lái)等效，如圖5.3-2所示。,由于波長(zhǎng)與電路尺寸可比擬，故電壓電流處處不同,傳輸線的參量,每個(gè)單元均可由L1，C1，G1，R1四個(gè)參數(shù)來(lái)決定。 L1表示導(dǎo)體的自感，與單位長(zhǎng)度傳輸線內(nèi)存儲(chǔ)的磁能時(shí)均值相關(guān)。 C1表示導(dǎo)體之間的電容耦合，決定于導(dǎo)體的接近程度，與單位長(zhǎng)度傳輸線內(nèi)存儲(chǔ)的電能時(shí)均值相關(guān)。 G1表示由介質(zhì)引起的單位長(zhǎng)度的傳輸線上的功率耗散的時(shí)均值。 R1表示由金屬的有限導(dǎo)電率引起的傳輸線上的功率損耗的時(shí)均值。 G1，R1表示的是傳輸線的衰減（損耗）參量。,由于我們這里研究的是TEM模，TEM模的一個(gè)重要特性就是電磁場(chǎng)垂直于傳播方向，場(chǎng)分布與靜場(chǎng)相同，電壓、電流和特性阻抗可以由電磁場(chǎng)唯

14、一確定。另外，傳輸線參數(shù)，如，單位長(zhǎng)度的電感和電容等也可以由電磁場(chǎng)唯一定義，因此，電感L1、電容C1、電抗G1可以利用準(zhǔn)靜態(tài)法求解求解傳輸線橫截面上的二維拉普拉斯方程得出。而電阻R1可由導(dǎo)體內(nèi)部的電磁場(chǎng)分布得到。 這樣，傳輸線理論就把集總參數(shù)電路理論用來(lái)解決一般的電磁場(chǎng)問(wèn)題（化場(chǎng)為路）。,求解方法靜電場(chǎng)法或場(chǎng)解法 這就是為什么第三章中，微帶，帶狀線沒(méi)有求電磁場(chǎng)，而直接算特性阻抗的原因,對(duì)于均勻傳輸線，介電常數(shù)，磁導(dǎo)率，損耗角正切為tg。S表示積分面，C1，C2表示積分路徑，Rs為導(dǎo)體的表面電阻率。,dz足夠短（dzl）, dz上的分布參數(shù)效應(yīng)可用串聯(lián)阻抗 Z1dz和并聯(lián)導(dǎo)納Y1dz的集總參數(shù)電

15、路來(lái)等效。 時(shí)諧均勻傳輸線，省去時(shí)間因子 根據(jù)基爾和夫定理得出 （電報(bào)方程）,第5章 傳輸線的電路理論,電壓變化由串聯(lián)阻抗造成 電流變化由并聯(lián)導(dǎo)納造成,由電報(bào)方程可推得 （傳輸線電壓、電流波動(dòng)方程 ） 二階常系數(shù)微分方程，其解為：,電壓、電流波的傳播常數(shù)，決定于分布電路參數(shù)和工作頻率,上面的方程有四個(gè)未知量A1，B1，A2，B2，但是利用歐姆定律I（Z）的表達(dá)式又可寫為：,第5章 傳輸線的電路理論,其中 這樣待定系數(shù)只剩下了A1，B1；A1、B1決定于傳輸線 的端接條件 。 通常端接條件有三種： （1）已知終端電壓UL和電流IL； （2）已知始端電壓Us和電流Is； （3）已知激勵(lì)源的電動(dòng)勢(shì)Es、內(nèi)阻抗Zs和負(fù)載阻抗ZL。 常見情況是第1種：,第5章 傳輸線的電路理論,坐標(biāo)z的起點(diǎn)選擇在負(fù)載端即z=0 ，有： 此式就是已知傳輸線終端電壓、電流時(shí)，線上任意一點(diǎn) 的電壓、電流解。,第5章 傳輸線的電路理論,其解表明： 傳輸線的電壓、電流由一列向負(fù)載方向傳輸波， 即入射波，隨z增大而增大。 一列向波源傳播的波，即反射波