中天宽带传输线理论.pptx

传输线理论 Transmission Line Theory 内容概要 n理论概述 n常用传输线 n传输线方程 n端接负载的无损传输线 n史密斯圆图 理论概述 在微波频率下，通常利用传输线传输电磁 能。此时，电磁波波长可以与电路的几何尺 寸相比拟，传输线上的电压和电流呈现出波 动性。因此，采用分布参数电路的传输线理 论来进行描述。 传输线的分析方法分为场分析法和基本电 路理论。传输线理论在场分析和基本电路理 论之间架起了桥梁。传输线有足够的精度， 物理概念简单明确，被广泛用于微波分析与 设计中。 常用传输线 TEM 波传 输线 平行双导线 同轴线 带状线 微带线 矩形波导 圆波导 脊波导 椭圆波导 TE 、 TM 波 传 输 线 介质镜像波导 圆柱介质波导 空心圆柱介质波导 光纤 传输线方程 n传输线的分布参数电路模型 将传输线分割成许多微分段dz，这样，每个微分 段可看成集总参数电路。（微积分的思想） 传输线的等效电路 传输线方程 分布参数定义如下 n 分布电阻R：定义为传输线单位长度上的 总电阻值，单位为/m。 n 分布电导G：定义为传输线单位长度上的 总电导值，单位为S/m。 n 分布电感L：定义为传输线单位长度上的 总电感值，单位为H/m。 n 分布电容C：定义为传输线单位长度上的 总电容值，单位为F/m。 传输线方程 n分布电路参数可由场分析和电路理论中计算 电场和磁场的存储和损耗能量公式联立得到 传输线方程 n由基尔霍夫电压和电流定律，得： 传输线方程 n将dz除两边，并取极限dz0，得传输线方 程（电报方程，通过场分析也可得到）: n在稳态条件下，得到简谐振荡的简化形式 传输线方程 n对上述方程两边再微分一次，得到V(z)和I(z) 的波动方程： 式中 为传输线上波的 传播常数(complex propagation constant)，其实 部称为衰减常数，虚部称为相移常数。 传输线方程 n上述波动方程的通解可以表示为 n其中，A1和A2 由边界条件确定 nZ0为传输线的特性阻抗（characteristic impedance），是同向电压与电流之比 端接负载的无损传输线 n对于无损传输线，若规定Z方向为传播方向 ，则 为入射电压、 为反射电压。 可得： 端接负载的无损传输线 n假设已知负载两端的电压和电流，将z=l, V(l)=V2, I(l)=I2 代入前式可得 n均匀无耗传输线方程的解为 n反射系数：传输线上的波一般为入射波与反射波 的叠加， 是传输线上反射与入射电压之比或电 流之比的负值。即 端接负载的无损传输线 n也就是定义反射系数为 n可得反射系数： n其中，L为终端反射系数： n反射系数又可以改写为 端接负载的无损传输线 n从上式可以得到如下结论： （1）反射系数随传输线位置变化。 （2）反射系数为复数，这反映出反射波与入射波之间有 相位差异。 （3）无耗传输线上任一点反射系数的模值是相同的，说 明无耗传输线上任一点反射波与入射波振幅之比为 常数。 （4）反射系数是周期性函数，周期为 。 端接负载的无损传输线 n由 和 ，可得终端反射系数与终 端负载的关系为： n由上式可以看出，传输线终端负载ZL决定着终端 反射系数L，随着负载的不同有以下反射状态： 当ZL=Z0时，L=0，无反射波，称为行波状态。 当ZL=0、jXL时，|L|=1。这3种情况入射波能量全 部被反射，称为全反射状态，即驻波状态。 当ZL=RLXL时，0|L|1，入射波能量部分被负载吸收 ，部分被反射，为行驻波状态。 端接负载的无损传输线 n驻波比（也称为电压驻波比）定义为传输线上电 压最大点与电压最小点的电压振幅之比，用或 VSWR表示，即 n由下式 n可得，驻波比与反射系数的关系为 端接负载的无损传输线 n输入阻抗Zin：传输线上总电压V(z)与总电流 I(z)之比。即 端接负载的无损传输线 n将电压V(z)与电流I(z)的通解代入Zin可得 n距离终端/4处传输线的输入阻抗为 当Z0为实数时，/4传输线具有阻抗变换的作用。 史密斯圆图 n史密斯圆图（Smith Chart）是由P. Smith开 发的一种图形化解决传输线问题的工具。 n史密斯圆图提供了一种特别有效的展现传输 线现象的方法。 n微波工程师可以通过史密斯圆图来建立解决 传输线和阻抗匹配问题的直觉。 史密斯圆图 n将归一化负载阻抗zL=rL+jxL和L= r +j i代入反 射系数与终端负载的关系式 n分别整理实部和虚部，可得 -等电阻圆 -等电抗圆 史密斯圆图 归一化等电阻圆 归一化等电抗圆 史密斯圆图 n 将等电阻圆、等电抗圆、反射系数相角和电刻度 放在一起，组成史密斯圆图。任意一点的电阻圆 与电抗圆垂直。 史密斯阻抗圆图 史密斯圆图 n由于任意一点l处的阻抗与负载阻抗与反射系数关系公式具 有相同形式，因此任意点处的归一化阻抗可由归一化负载 处顺时针旋转2l得到。 n圆图上有三个特殊的点： n实轴以上的上半平面是感性阻抗的轨迹；实轴以下的下半 平面是容性阻抗的轨迹；实轴为纯电阻；单位圆为纯电抗 ；实轴的右半轴皆为电压波腹点左半轴皆为电压波节点。 匹配点：坐标为（0，0），此处对应于r=1、x=0、 |=0、=1。 短路点：坐标为（1，0），此处对应于r=0、x=0、 |=1、=、=180。 开路点：坐标为（1，0），此处对应于r=、x=、 |=1、=、=0。 史密斯圆图 n由四分之波长变化可知，yL=zin=1/zL相当于归一化 导纳由特征阻抗为1的四分之一波长传输线变换而 得。相应地，导纳在圆图上的位置是归一化阻抗 位置顺时针旋转四分之波长（即旋转180度）而得 。因此，史密斯导纳