第1章 传输线理论和阻抗匹配PPT课件

.第1章，第1章传输线理论和阻抗匹配，组成1.1传输线的1.2传输线等效电路表示1.3传输线方程和1.4传输线的基本特性参数1.5等无损传输线的工作状态1.6信号源功率传输和负载传输1.7阻抗和导纳(SMITH)饼图1.8阻抗匹配和调谐1.9消耗传输线。2，传输线是用于将电磁能量从一个地方传输到另一个地方的设备。传输线理论是存在分析和基本电路理论之间架起桥梁的分布参数电路理论。随着工作频率的提高，波长不断减小，当波长可以与电路的形状大小相比较时，传输线的电压和电流会随着空间位置的变化而变化，电压和电流会发生波动，这与低频电路完全不同。传输线理论用于分析传输线的电压电流分布和传输线的阻抗变化。在Rf波段，基尔霍夫定律不再适用，低频电路理论需要用传输线理论代替。本章主要从道路的角度以平行双线为例，说明传输线理论。1.1传输线的配置，3，传输线的配置，传输线主要从两个方面考虑其配置。一、电气性能中考虑、传输模式、分布式、工作频带、功率容量、损耗等几个指标；二是从机械性能方面，有尺寸、制作难度、整合难度等几个指标。4、1。在传输线的电气特性传输模式下，传输到传输线的电磁波分为三种类型。(1)TEM波(横向电磁波):电场和磁场都与电磁波传播方向垂直。EZ=HZ=0(2)TE波(横波):电场垂直于电磁波传播方向，传播方向有磁场分量。ez=0，HZ0(3)TM波(横波):磁场垂直于电磁波传播方向，传播方向有电场分量。HZ=0，EZ0，5，典型的TEM波传输线包括平行双线、同轴、带状线和微带状线(传输准TEM波)，如图所示。常用的TEM波传输线、平行双线同轴带状线、TEM波传输线、TEM波传输线、TEM波传输线。6，常用TE波，TM波传输线属于金属波导、介质波导等单导体传输线。(1)金属波导：矩形波导圆波导脊波导椭圆波导，(2)介质波导：TE波，TM波传输线，7，(1) RF电路的传输线只传输TEM波或准TEM波。特性：TEM传输线没有分布式。(色散：电磁波的传输速度与频率有关)。TEM传输线的工作频带更宽，0到几GHz。TEM传输线的功率容量和损耗必须满足射频设计要求。但是TEM传输线高频能量损失很大。(2)微波电路的传输线也传输了TE波、TM波和TE/TM混合波，使用波导。特征：TE或TM传输线高频能量损失小，功率容量大，但体积大，频带小。TEM波，TE/TM波传输线特性，8、2。传输线的机械性能传输线的机械性能包括物理大小、制作难度、与其他组件集成难度等指标。由于上述机械特性，传输线倾向于平面化。9，1。平行双线2。同轴3。条形和微带状线，10，平行双线，11，同轴，12，条带线，13，微带线，14，1.2传输线等值电路表示，1.2.1长线传输线路理论是长线理论。传输线是长线或短线，具体取决于传输线的电气长度，而不是几何长度。电长度定义为传输线的几何长度l与工作波长的比率。传输线是当传输线的几何长度l比传输信号的工作波长长或可以估计时，称为长线。相反，可以说是短线。15，长线和短线是相对概念，在RF电路中，传输线的几何长度只有几厘米，但是这个长度已经大于或接近工作波长，所以仍然被称为长线；相反，运送施法的电力线即使几何长度是几公里，也比施法的波长(6000公里)小得多，因此只能看作是一条短线。电路理论和传输线理论的区别主要在于电路大小和波长的关系。在电路分析中，网络和电路的大小比工作波长小得多，因此，不考虑沿线各点的电压和电流的幅度和相位变化，沿线的电压和电流只与时间因素相关，与基本电路理论相符，与空间位置无关。16，例如，TEM波传输线电磁波的相位速度是工作频率，是传输在线电磁波的波长。例如，对于带状线，RF频率为1GHz，而对于两个接地导体板之间的介质，=9.5，则带状线是长线还是短线？分析：波长与带状线的大小相似，用长线理论分析。17，传输线是长线，沿线各点的电压和电流(或电场和磁场)随时间而变化，也随空间位置而变化，由于传输线的电压和电流显示波动，所以长线使用传输线理论进行分析。传输线理论用于分析长线情况下传输线的电压电流分布和传输线的阻抗变化。在Rf波段，电路理论必须替换为传输线理论。传输线理论是电路理论与电磁场波动理论的结合，传输线理论可以被视为电路理论的扩展或电磁场波动方程的求解。18，1.2.2传输线的分布参数根据电磁场理论，高频信号通过传输线时，发生以下分布参数。导线通过电流时，周围会产生高频磁场，因此沿着导线的每个点都存在串行分布电感；在两条导线上加上电压，线之间就存在高频电场，从而在线之间产生并行分布电容器。电导率有限的电线通过电流时会散发热量，在高频中，由于皮肤效应，电阻会增加。也就是说，线本身有分布阻力。如果导线间介质不理想，则存在泄漏电流，这意味着导线间存在分布漏电导轨。这些分布参数在低频中影响不大，可以忽略。高频产生的线路电压、电流幅度变化、相位后视不能忽略，这称为分布参数效应。19，传输线各点的电压和电流(或电场和磁场)不同，可以在传输线的等效电路中解释，这就是传输线的分布参数概念。分布参数相对于整个集参数。传输线理论是分布电阻、分布电感、分布电容器和分布电导的四种分布参数存在于传输线所有位置的分布参数电路理论。随着频率的增加，分布参数引起的阻抗效应增加，不再可以忽略。20，根据传输线分布参数的均匀分布，传输线可分为均匀传输线和不均匀传输线。这里主要讨论均匀传输线。均匀传输线是指传输线的几何大小、相对位置、导体材料和导体周围介质特性沿电磁波的传输方向不变的传输线。也就是说，分布参数沿直线均匀分布。21、分布参数定义如下：分布电阻r定义为传输线单位长度中/m单位的总电阻值。分布电导g定义为传输线单位长度中S/m单位的总电导值。分布电感l由传输线单位长度中以H/m为单位的总电感值定义。分布电容c定义为输电线路单位长度F/m单位的总电容值。22、23，将传输线分成许多微段dz，使每个微段被视为总集参数电路。传输线的等效电路，1.2.3传输线的等效电路，24，1.3传输线方程及其解法，1.3.1均匀传输线方程传输线方程是研究传输线电压、电流变化规律和其间关系的方程。对于均匀传输线，分布参数沿直线均匀分布，因此只需考虑线元素dz的情况。25，图1.2传输线电压和电流的定义及其等效电路，应用kshihoff电压和电流的规律，(1.1)，26，dz除以两边，极限dz0，获得线方程(电报方程)，表达式中v和I是位置(距离z)的函数和时间t的函数，同时，(1.2)，27，考虑电压和电流的瞬时值，与t一起谐波振荡。其中和传输线z中电压的电流的复值(振幅)。常识是，(1.3a)，(1.3b)，同时求解28，1.3.2传输线方程的解(1.3)，将V(z)和I(z)的波动方程解释为：style，(1.5)，传输线波的传播常数和频率的函数。一般来说，复数实际上把部分称为衰减常数，将虚拟部分称为相移常数。(1.4a)、(1.4b)、29，2阶常微分方程(1.4)的一般解可以用边界条件确定的待定常数和表示。传输线的特性阻抗。(1.6a)、(1.6b)、(1.7)、以上关于30，1.3.3均匀无损传输线方程的解决方案适用于常规传输线，包括损耗的影响，因此结果传播常数和特性阻抗是复数的。但是，在大多数情况下，传输线的损耗很小，可以忽略，从而简化此结果。如果设置(1.5)表达式的R=G=0，则传播常数无论频率如何，无损线的衰减为零。波长为(1.8)、(1.9)、(1.10)、(1.11)、31，对于均匀无损耗传输线方程，这是(1.6)的一般解，a1e-j z表示在z方向传播的行波，a2e JBz表示在-z方向传播的行波，传输线电压的解表示可变性。常数A1和A2由边界条件确定。(1.12)，32，如图所示，传输线通常具有两种类型的边界条件。一个是已知传输线端子电压V2和端子电流I2；另一个是已知传输线起始电压V1和起始电流I1。另外讨论。根据边界条件确定待定常量，33，已知传输线端子电压V2和端子电流I2最常用。Z=l，V(l)=V2，I(l)=I2替换(1.12)，相等无耗传输线方程的解为正弦(1.13a)，(1.13b)，34，2，已知传输线起始电压V1和起始电流I1，z=0，V(0)=V1，I(0)=I1替换(1.12)，等无损传输线方程的解决方案(1.14)，35，对于相等无损传输线，电压和电流瞬间值的表达式：入射波，反射波，36，例如，均匀无损传输线，特性阻抗Z0=200，端子负载电阻ZL，电压入射波的复偏差值为20V，电压反射波的复偏差值为2V，端子z1=3/4的合成电压复偏差值V(z1)和电流复偏差值有效值I，37，1.4传输线的基本特性参数是表达式(1.12)均匀传输线方程的一般解，是传输线上任意点处电压V(z)的总和。其中：表示在z方向传播的电磁波，称为入射电压。表示在-z方向传播的电磁波，称为反射电压，入射电压和反射电压都是行波。传输线任一点的电流I(z)都不良。其中表示在z方向传播的电磁波，称为入射电流。表示在-z方向传播的电磁波，称为反射电流，入射电流和反射电流都是行波。38，传输线的特性阻抗为传输线入射电压与入射电流之比；传输线的反射电压与入射电压之比，称为传输线的反射系数。传输线的总电压V(z)与总电流I(z)之比，称为传输线的输入阻抗。39、基本性质参数、性质阻抗、反射系数、输入阻抗都是传输线的性质参数。另外，传播常数和传输功率是传输线的特性参数。40，1.4.1特性阻抗传输线的入射电压与入射电流的比率(行波电压与行波电流的比率)称为传输线的特性阻抗，特性阻抗显示为Z0。得到传输线特性阻抗的一般公式是，41，RF传输线特性阻抗大约以(1.15)表示，在射频情况下，可以认为传输线的特性阻抗是纯粹电阻。范例：平行双线，计算同一轴线的性质阻抗。42，平行双线的特性阻抗平行双线的特性电阻值通常为250 700 ，通常使用250、400和600。同样，同一轴的特性阻抗一般具有40 100 的特性电阻值，经常使用50 和75 。43，1.4.2反射系数传输线的波通常是入射波和反射波的叠加。波的反射现象是传输线最基本的物理现象，传输线的工作状态也主要取决于反射。为了表示传输线的反射特性，引入了反射系数。44，传输线的入射电压，反射电压和反射系数，45，1。反射系数的定义和表达式反射系数表示传输线上一点的反射电压与入射电压的比率，等于传输线上一点的反射电流与入射电流的比率的负值。反射系数为(1.16)(1.13)，46，因此是反射系数。其中，最终反射系数是反射系数，可以用样式(1.19)代替。也就是说，无损传输线任意点的反射系数的系数值相同。这种结论很重要，表明在无损耗传输线中，随机反射波和入射波的相位有差异，但振幅的比率是常数。(1.17)、(1.18)、(1.19)、47，概括起来，可以得出以下结论：(1)反射系数随传输线位置的变化。(2)反射系数为复数，反映反射波和入射波之间的相位差异。(3)无损传输线任意点的反射系数的模式值相同。这表明在无损传输线的任意点上入射波振幅与反射波的比率是恒定的。(4)反射系数是周期性函数，周期是。48，2。端子反射系数与端子负载的关系由和类型(1.18)决定，传输线端子负载ZL决定端子反射系数 l。由于无损耗传输线任意点的反射系数模式值相同，因此终端载荷ZL确定无损耗传输线的反射波振幅。根据端子负载ZL的性质，传输线具有三种不同的作业状态(例如，(1.20)、(1.20)。49，(1)当ZL=Z0时， l=0，传输线没有反射波，只有入射波，称为行波状态。(2)当ZL=0(端子段落)时，l=-1；ZL=(如果端子已打开)l=1；ZL=jXL(端子连接纯电抗)时| l |=1。在这三种情况下，反射波只有相位的差异，入射波能量全部反射，载荷完全不吸收，这称为全反射状态，即驻波状态。(3) ZL=RLXL时，0 | l | 1，入射波能量部分被载荷吸收，部分反射，称为部分反射操作状态的行驻波状态。三种不同的运行状态，末端承受不同的载荷：50，3。静止比和行波系数在上述结果中表明，反射系数是复数的，并且随着传输线的位置而变化。为了更容易地表达传输线的反射特性，工程上引入了朱法比的概念。周波比(也称为电压信息比)定义为传输线上电压的最大点与电压最小点的电压振幅之比，以或VSWR表示。也就是说，电压信息比的倒数是行波系数，用k表示，(1.21)，(1.22)，51，传输线上电压最