微波技术长线理论

微波技术长线理论第1页，共18页，2023年，2月20日，星期六第一节传输线的基本概念

一、传输线及其种类

传输线用来传输电磁能量的装置。由传输系统引导，向一定方向传播的电磁波称为导行波。微波传输线与低频传输线的不同点：

1.微波传输线种类繁多,按其所传输的导行波型可分为三大类：第2页，共18页，2023年，2月20日，星期六

(1)TEM波(包括准TEM波)传输线图2-1TEM波传输线(a)平行双导线(b)同轴线(c)带状线(d)微带属双导体系统，其频带宽，但在高频段传输电磁能量损耗较大。第3页，共18页，2023年，2月20日，星期六

(2)金属波导传输线,其传输模为TE、TM波。图2-2波导传输线(e)矩形波导(f)圆形波导(g)脊形波导(h)椭圆波导属单导体传输系统，又称色散波传输线。具有损耗小、功率容量大、体积大、频带窄等特点。第4页，共18页，2023年，2月20日，星期六

(3)表面波传输线图2-3表面波传输线(i)介质波导(j)镜像线(k)单根表面波传输线主要用于传输表面波,电磁能量沿传输线的表面传输。具有结构简单、体积小、功率能量大等优点。第5页，共18页，2023年，2月20日，星期六

2.微波传输线不仅能传输电磁能量,还可用来构成各种微波元件(如谐振腔、滤波器、阻抗匹配器、定向耦合器等)。这与低频传输线截然不同。当传输线的横向尺寸比信号波长小得多、而轴向尺寸(即长度)远比信号波长大时,可将传输线看成一维分布参数电路。本章讨论的是指传输TEM波的传输线，可用双导线模型进行分析。第6页，共18页，2023年，2月20日，星期六二、分布参数概念

1.长线与短线相对长度l/称为传输线的电长度。

通常，当：l/0.05,即几何长度与工作波长可比拟或更长的称为长线；

l/<0.05,即几何长度与工作波长相比可忽略不计的为短线。例如：传输3GHz(=10cm)的同轴线l=0.5m,输送市电的电力传输线(f=50Hz,=6000km)，长达几千米，

为长线。为短线。第7页，共18页，2023年，2月20日，星期六图2-4电流(电压)沿线分布图

用图2-4所示线上电压(或电流)随空间位置分布状况来说明长、短线的区别:第8页，共18页，2023年，2月20日，星期六

图(a)为半波长的波形图,AB

<<l,为“短线”，某一时刻,AB上各点的电压(电流)的大小和相位几乎不变。图(b)高频波形图，虽线段长仍为AB，但在某一瞬间，其上各点的电压(或电流)的大小和相位均有很大的变化，此时的AB应视为“长线”。显然，微波传输线属于“长线”的范畴，故本章称为“长线理论”，即微波传输线基本理论。第9页，共18页，2023年，2月20日，星期六

2.分布参数与分布参数电路

长线和短线的区别还在于：

长线为分布参数电路,短线为集中参数电路。低频电路中,电路元件参数(R、L、C)基本上都集中在相应的元件(电阻、电感器、电容器)中，称为集中参数。电路中还存在着元件间连线的电阻、电感和导线间的电容等，称为分布参数。低频电路中,分布参数的量值与集中参数相比，微乎其微,可忽略不计。低频传输线为短线,在电路中只起连接线作用。低频电路为集中参数电路。第10页，共18页，2023年，2月20日，星期六

高频信号通过传输线时会产生以下分布参数：导体周围高频磁场→串联分布电感；两导体间高频电场→并联分布电容；

导线有限，高频电流趋肤效应→分布电阻；导体间非理想绝缘→漏电→并联分布电导。

当双导线工作在微波波段时，分布参数的影响不容忽视。第11页，共18页，2023年，2月20日，星期六

例：设双导线的分布电感

L0=0.999nH/mm，

分布电容

C0=0.0111pF/mm

;

工作在f=50Hz时引入的串联电抗、并联导纳：

XLf=50Hz=L=2fL0=31410-3/mmBcf=50Hz=C=2fC0=3.4910-12S/mm当频率升到5000MHz时：

XLf=5000MHz=L=2fL0=31.4/mm

Bcf=5000MHz=2fC0=3.4910-4S/mm后者是前者的一亿倍，其分布参数效应不容忽视。第12页，共18页，2023年，2月20日，星期六微波传输线,其电路参数(R、L、C、G)及电路物理量(u、i)，都是沿线分布的(是z，t的函数)，称之为分布参数电路，必须用传输线理论来研究。第13页，共18页，2023年，2月20日，星期六三、均匀传输线及其等效电路

传输线上处处存在分布电阻、分布电感、线间处处存在分布电容和漏电电导。根据传输线上分布参数均匀与否，可将传输线分为均匀传输线和非均匀传输线。本章只限于研究均匀传输线。

1.均匀传输线(均匀长线)：分布参数沿线均匀分布，与位置无关。第14页，共18页，2023年，2月20日，星期六

2.均匀传输线的分布参数：

分布电阻R0(/m)：单位长度传输线段的总电阻值。与导线的材料及截面尺寸有关，理想导体的R0=0。

分布电导G0(S/m)

：单位长度传输线段的并联电导值。与导线周围介质材料的损耗角有关，理想介质的G0=0。

分布电感L0(H/m)

：单位长度传输线段的自感。与导线截面尺寸、线间距及介质的磁导率有关。

分布电容C0(F/m)

：单位长度传输线段间的电容。与导线截面尺寸、线间距及介质的介电常数有关。第15页，共18页，2023年，2月20日，星期六

本章主要研究均匀无耗传输线，R0=0，G0=0；

L0

、C0

的计算公式见P6表2-1。

3.均匀传输线的等效电路

对于均匀传输线,由于分布参数均匀分布，故可任取一小段线元dz<<来讨论，dz可作为“短线”，即集中参数电路来处理,并等效为一个集中参数的型网络。而整个传输线就可视为由许多相同线元dz的等效网络级联而成的电路，如图2-5所示。第16页，共18页，2023年，2月20日，星期六

用等效电路解释微波传输线上不同位置的电压、电流不同的现象。如图,由于1-1’和2-2’之间有串联电阻存在，因而电压不同；又由于线间并联回路的分流作用，通过1点和2点的电流也不同。第17页，共18页，2023年，2月20日，星期六

当接通电源后,电流通过分布电感逐级向分布电容