《微波技术与天线》第二章传输线理论pa.ppt

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1、第二章第二章 传输线理论传输线理论2023/2/121Microwave Technology and Antenna copyrightDuguohong内内 容容引言引言均匀传输线方程及其解均匀传输线方程及其解传输线的基本特性（传输线的基本特性（重点重点）均匀无耗传输线的工作状态（均匀无耗传输线的工作状态（重点重点）阻抗圆图及其应用阻抗圆图及其应用阻抗匹配阻抗匹配2023/2/122Microwave Technology and Antenna copyrightDuguohong引言引言n n传输线（即导波系统）传输线（即导波系统）n n用以引导电磁波的装置。用以引导电磁波的装置。用以

2、引导电磁波的装置。用以引导电磁波的装置。n n微波传输线微波传输线n n传输微波能量和信号的线路。传输微波能量和信号的线路。传输微波能量和信号的线路。传输微波能量和信号的线路。n n基本要求基本要求基本要求基本要求uu频带宽频带宽频带宽频带宽uu衰减低衰减低衰减低衰减低uu单模传输单模传输单模传输单模传输 2023/2/123Microwave Technology and Antenna copyrightDuguohong引言引言n n微波传输线三种结构类型微波传输线三种结构类型n n1 1、双导体传输线（、双导体传输线（、双导体传输线（、双导体传输线（TEMTEM）（非色散波）（非色散波

3、）（非色散波）（非色散波）uu平行双线平行双线平行双线平行双线uu同轴线同轴线同轴线同轴线uu带状线带状线带状线带状线uu微带线微带线微带线微带线无纵向电磁场分量无纵向电磁场分量Ez=Hz=0电磁力线位于导波系统的横截面内电磁力线位于导波系统的横截面内2023/2/124Microwave Technology and Antenna copyrightDuguohong引言引言n n微波传输线三种结构类型微波传输线三种结构类型n n2 2、金属波导（、金属波导（、金属波导（、金属波导（TETE或或或或TMTM）（色散波）（色散波）（色散波）（色散波）uu矩形波导矩形波导矩形波导矩形波导uu圆

4、波导圆波导圆波导圆波导uu椭圆波导椭圆波导椭圆波导椭圆波导TE波：波：Ez=0（电力线在导波系统横截面电力线在导波系统横截面内内），），Hz0（磁力线为空间曲线磁力线为空间曲线）TM波：波：Hz=0（磁力线在导波系统横截磁力线在导波系统横截面内面内），），Ez0（电力线为空间曲线电力线为空间曲线）2023/2/125Microwave Technology and Antenna copyrightDuguohong引言引言n n微波传输线三种结构类型微波传输线三种结构类型n n3 3、介质波导（、介质波导（、介质波导（、介质波导（TETE和和和和TMTM的混合波）（色散波）的混合波）（色散波

5、）的混合波）（色散波）的混合波）（色散波）uu镜像线镜像线镜像线镜像线uu脊波导脊波导脊波导脊波导uu介质线介质线介质线介质线EH波：波：Ez 0，Hz0（TE波波和和TM波的线性叠加波的线性叠加）2023/2/126Microwave Technology and Antenna copyrightDuguohong引言引言n n分析电磁波沿传输线的传播特性的方法分析电磁波沿传输线的传播特性的方法n n1 1、“场场场场”分析法分析法分析法分析法uu Maxwell Maxwell 方程方程方程方程/波动方程波动方程波动方程波动方程 各场量时空变化规律各场量时空变化规律各场量时空变化规律各场

6、量时空变化规律uu适合研究色散波（适合研究色散波（适合研究色散波（适合研究色散波（TE/TM/EHTE/TM/EH波）传播系统波）传播系统波）传播系统波）传播系统n n2 2、“路路路路”分析法分析法分析法分析法分布参数电路（等效电路法）分布参数电路（等效电路法）分布参数电路（等效电路法）分布参数电路（等效电路法）uu传输线方程传输线方程传输线方程传输线方程 线上等效电压线上等效电压线上等效电压线上等效电压/电流的时变规律电流的时变规律电流的时变规律电流的时变规律uu适合研究非色散波（适合研究非色散波（适合研究非色散波（适合研究非色散波（TEMTEM波）传输线波）传输线波）传输线波）传输线边界

7、条件边界条件边界条件边界条件2023/2/127Microwave Technology and Antenna copyrightDuguohong引言引言n n分布电路参数模型分布电路参数模型n n1 1、长线长线长线长线的概念的概念的概念的概念uu 长线长线长线长线 传输线的几何长度和线上传输电磁波的波传输线的几何长度和线上传输电磁波的波传输线的几何长度和线上传输电磁波的波传输线的几何长度和线上传输电磁波的波长的比值长的比值长的比值长的比值1 1 或或或或 1 1 的传输线。的传输线。的传输线。的传输线。uu短线短线短线短线传输线的几何长度传输线的几何长度传输线的几何长度传输线的几何长度

8、线上传输电磁波的波线上传输电磁波的波线上传输电磁波的波线上传输电磁波的波长。长。长。长。举例：举例：举例：举例：频率为频率为频率为频率为50Hz50Hz、=6000km6000km的交流电，的交流电，的交流电，的交流电，1000m1000m场的场的场的场的输电线输电线输电线输电线（电长度为（电长度为（电长度为（电长度为0.0001670.10.0001670.1 1.67 0.1）-长线长线长线长线 2023/2/128Microwave Technology and Antenna copyrightDuguohong引言引言n n分布电路参数模型分布电路参数模型相同的传输线，虽然不同频率、

9、不同几何长度，但电长度相同的传输线，虽然不同频率、不同几何长度，但电长度相同，都属于长线。相同，都属于长线。2023/2/129Microwave Technology and Antenna copyrightDuguohong传输线长度为传输线长度为传输线长度为传输线长度为10CM10CM，当信号频率为，当信号频率为，当信号频率为，当信号频率为937.5MHz937.5MHz时，此时，此时，此时，此传输线是长线还是短线？当信号频率为传输线是长线还是短线？当信号频率为传输线是长线还是短线？当信号频率为传输线是长线还是短线？当信号频率为6MHz6MHz时，此传时，此传时，此传时，此传输线是长线

10、还是短线？输线是长线还是短线？输线是长线还是短线？输线是长线还是短线？【解解解解】例例2.12.12023/2/1210Microwave Technology and Antenna copyrightDuguohong引言引言n n分布电路参数模型分布电路参数模型n n2 2、分布参数分布参数分布参数分布参数和和和和集总参数集总参数集总参数集总参数uu短线短线短线短线 集总参数集总参数集总参数集总参数（集中储能和耗能（集中储能和耗能（集中储能和耗能（集中储能和耗能)n nf f 低低低低n nC C：电场能量；：电场能量；：电场能量；：电场能量；L L：磁场能量：磁场能量：磁场能量：磁场能

11、量 ；R R：消耗电：消耗电：消耗电：消耗电磁能量；忽略元件连接线的分布参数效应磁能量；忽略元件连接线的分布参数效应磁能量；忽略元件连接线的分布参数效应磁能量；忽略元件连接线的分布参数效应2023/2/1211Microwave Technology and Antenna copyrightDuguohong引言引言n n分布电路参数模型分布电路参数模型n n2 2、分布参数分布参数分布参数分布参数和和和和集总参数集总参数集总参数集总参数uu 长线长线长线长线 分布参数分布参数分布参数分布参数（处处有储能和耗能）（处处有储能和耗能）（处处有储能和耗能）（处处有储能和耗能）n n f f 高，

12、电路元件高，电路元件高，电路元件高，电路元件 损耗损耗损耗损耗n n电场能量和磁场能量分布在空间。电场能量和磁场能量分布在空间。电场能量和磁场能量分布在空间。电场能量和磁场能量分布在空间。辐射损耗辐射损耗r r导体损耗导体损耗c介质损耗介质损耗d趋肤效应趋肤效应-载流截面载流截面高频电阻高频电阻 分布电阻效应分布电阻效应高频电流高频电流-高频磁场高频磁场 分布电感效应分布电感效应两线间有电压两线间有电压-高频电场高频电场 分布电容效应分布电容效应漏电流漏电流 -并联电导并联电导 分布电导效应分布电导效应2023/2/1212Microwave Technology and Antenna co

13、pyrightDuguohong引言引言n n均匀传输线的分布参数及其等效电路均匀传输线的分布参数及其等效电路n n均匀传输线均匀传输线均匀传输线均匀传输线uu传输线的几何尺寸、相对位置、导体材料以及周围媒质特传输线的几何尺寸、相对位置、导体材料以及周围媒质特传输线的几何尺寸、相对位置、导体材料以及周围媒质特传输线的几何尺寸、相对位置、导体材料以及周围媒质特性沿电磁波传输方向不改变。性沿电磁波传输方向不改变。性沿电磁波传输方向不改变。性沿电磁波传输方向不改变。uu分布参数及其计算分布参数及其计算分布参数及其计算分布参数及其计算n n分布参数分布参数分布参数分布参数-单位长度上的量值单位长度上的

14、量值单位长度上的量值单位长度上的量值n n分布电阻分布电阻分布电阻分布电阻 分布电导分布电导分布电导分布电导n n分布电容分布电容分布电容分布电容 分布电感分布电感分布电感分布电感2023/2/1213Microwave Technology and Antenna copyrightDuguohong传输线传输线传输线传输线参量参量参量参量同轴线同轴线同轴线同轴线平行平行平行平行双线双线双线双线平板传输线平板传输线平板传输线平板传输线L LC CR RG G2023/2/1214Microwave Technology and Antenna copyrightDuguohongn n均匀传

15、输线的分布参数及其等效电路均匀传输线的分布参数及其等效电路n n等效电路等效电路等效电路等效电路uu均匀传输线分割成许多微分段均匀传输线分割成许多微分段均匀传输线分割成许多微分段均匀传输线分割成许多微分段z(z(z)z)，每个微分，每个微分，每个微分，每个微分段是短线，可看作集总参数电路，集总参数分别为段是短线，可看作集总参数电路，集总参数分别为段是短线，可看作集总参数电路，集总参数分别为段是短线，可看作集总参数电路，集总参数分别为R R z z、G G z z、L L z z及及及及C C z zuu等效电路等效电路等效电路等效电路2023/2/1215Microwave Technolog

16、y and Antenna copyrightDuguohong均匀传输线方程及其解均匀传输线方程及其解n n基尔霍夫定律基尔霍夫定律n n均匀传输线方程均匀传输线方程n n均匀传输线方程的通解均匀传输线方程的通解n n均匀传输线方程的定解均匀传输线方程的定解始端、终端边界条件始端、终端边界条件2023/2/1216Microwave Technology and Antenna copyrightDuguohong均匀传输线方程及其解均匀传输线方程及其解n n研究传输线上电压、电流的变化规律及其相互关系的方程研究传输线上电压、电流的变化规律及其相互关系的方程研究传输线上电压、电流的变化规律及

17、其相互关系的方程研究传输线上电压、电流的变化规律及其相互关系的方程n n传输线的始端接角频率为传输线的始端接角频率为传输线的始端接角频率为传输线的始端接角频率为 的正弦信号源的正弦信号源的正弦信号源的正弦信号源,终端接负载阻抗终端接负载阻抗终端接负载阻抗终端接负载阻抗Z ZL L 。坐标的原点选在坐标的原点选在坐标的原点选在坐标的原点选在终端终端终端终端。2023/2/1217Microwave Technology and Antenna copyrightDuguohong均匀传输线方程及其解均匀传输线方程及其解n n由基尔霍夫定律可推导均匀传输线方程由基尔霍夫定律可推导均匀传输线方程均匀

18、传输线方程均匀传输线方程（电报方程）（电报方程）2023/2/1218Microwave Technology and Antenna copyrightDuguohong均匀传输线方程及其解均匀传输线方程及其解对于时谐电压和电流对于时谐电压和电流对于时谐电压和电流对于时谐电压和电流,可用复振幅表示为可用复振幅表示为可用复振幅表示为可用复振幅表示为时谐传输线方程时谐传输线方程单位长度串联阻抗单位长度串联阻抗单位长度并联导纳单位长度并联导纳2023/2/1219Microwave Technology and Antenna copyrightDuguohong均匀传输线方程及其解均匀传输线方程

19、及其解n n均匀传输线方程的解均匀传输线方程的解n n通解通解 传输线电压传输线电压/电流波动方程电流波动方程入射波入射波反射波反射波2023/2/1220Microwave Technology and Antenna copyrightDuguohong均匀传输线方程及其解均匀传输线方程及其解其中其中令令特性阻抗特性阻抗传播常数，衰减常数，相位常数传播常数，衰减常数，相位常数传输线上的电压和电流的瞬时值表达式传输线上的电压和电流的瞬时值表达式2023/2/1221Microwave Technology and Antenna copyrightDuguohong均匀传输线方程及其解均匀传

20、输线方程及其解n nA1和和A2为常数，由传输线始端和终端边界为常数，由传输线始端和终端边界条件决定条件决定n nA A1 1=0 =0 沿沿沿沿+z+z方向传播的行波方向传播的行波方向传播的行波方向传播的行波(反射波反射波反射波反射波)n nA A2 2=0 =0 沿沿沿沿-z-z方向传播的行波方向传播的行波方向传播的行波方向传播的行波（入射波）（入射波）（入射波）（入射波）n n当当当当A A1 1=A=A2 200时时时时，驻驻驻驻波分布波分布波分布波分布2023/2/1222Microwave Technology and Antenna copyrightDuguohong均匀传输线

21、方程及其解均匀传输线方程及其解n n边界条件边界条件n n终端（终端（终端（终端（z=0z=0）电压）电压）电压）电压U UL L和电流和电流和电流和电流I IL L（最常用）（最常用）（最常用）（最常用）n n始端（始端（始端（始端（z=lz=l）电压）电压）电压）电压U Ui i和电流和电流和电流和电流I Ii in n信源电动势信源电动势信源电动势信源电动势E Eg g和内阻和内阻和内阻和内阻Z Zg g以及负载以及负载以及负载以及负载Z ZL L2023/2/1223Microwave Technology and Antenna copyrightDuguohong均匀传输线方程及其

22、解均匀传输线方程及其解n n已知终端边界条件（已知终端边界条件（z=0z=0、U(0)=UU(0)=UL L、I(0)=II(0)=IL L）2023/2/1224Microwave Technology and Antenna copyrightDuguohong均匀传输线方程及其解均匀传输线方程及其解1 1、解的物理意义、解的物理意义、解的物理意义、解的物理意义n n入射波与反射波的叠加入射波与反射波的叠加入射波与反射波的叠加入射波与反射波的叠加n n传输线上复数电压电流的分布传输线上复数电压电流的分布传输线上复数电压电流的分布传输线上复数电压电流的分布n n传输线上电压电流传输线上电压电流传输线上电压电流传输线上电压电流的瞬时值分布的瞬时值分布的瞬时值分布的瞬时值分布入射波入射波反射波反射波2023/2/1225Microwave Technology and Antenna copyrightDuguohong均匀传输线方程及其解均匀传输线方程及其解2、确定传输线上任意一点的电压电流、确定传输线上任意一点的电压电流2023/2/1226Microwave Technology and Antenna copyrightDuguohong