《电磁波与天线仿真与实践》课件-电波与天线知识点9 传输线

《电磁波与天线仿真及实践》课件本次课内容传输线基本概念传输线的工作状态传输线基本参数传输线基本概念电磁波的有线传输即是将电磁信号从发射端通过一根有线传输线送到接收端去。传输线是传输电磁能的一种装置。最常见的低频传输线是输送50Hz交流电的电力传输线，它把电能从发电厂输送给用户。

结构：它由两根平行导线构成，其间的绝缘介质起固定作用。特点：平行线制作筒单，成本低。双线当频率升高时，很易向空间辐射；此外线阻升高，热损耗加大。所以平行双线一般适用于300ＭＨｚ以下的信号传输。双线传输线上传输的是横电磁波(ＴＥＭ波)。双线传输线分类：同轴线又叫同轴电缆分为半刚性、半柔性、柔性和波纹铜管电缆特点：可将电磁场全部屏蔽在内外导体之问，避免了平行双线的辐射损耗，提高了工作效率。相比较而言，同轴线具有连接方便，体积小等长处。同轴线内传输的仍然是ＴＥＭ波。商品电缆有SYV型、SWY型和SJDV型，特性阻抗有50Ω、75Ω等标准电缆可供选择，非标准电缆的特牲阻抗在高频工作时特性阻抗进行估算.

同轴线传输线（一）、

常用同轴电缆型号的介绍如图中“S”表示同轴射频电缆,“Y”表示绝缘介质为聚乙烯,“V”表示保护套材料为聚氯乙稀,“75”表示特性阻抗为75欧姆。“-2-1”代表线的直径大小型号。这是比较常见的一种电缆。常用电缆介绍分类代号－绝缘介质材料代号－护套材料代号－派生特性－特征阻抗－绝缘介质芯现外径整数值－屏蔽层。分类代号：S－同轴射频，SE－射频对称电缆，ST－特种射频电缆。绝缘介质材料：Y－聚乙烯、F－聚四氟乙烯（F46）、X－橡皮、W－稳定聚乙烯、D－聚乙烯空气、U－氟塑料空气护套材料代号：V－聚氯乙稀、Y－聚乙烯、W－物理发泡、D－锡铜、F－氟塑料；派生特性：Z－综合/组合电缆（多芯）、P－多芯再加一层屏蔽铠装；特性阻抗：50欧姆、75欧姆、120欧姆。绝缘介质芯线外径整数值：以毫米为单位1、2、3、4、5......屏蔽层：一般屏蔽层有一层、两层、三层及四层。

常用电缆介绍同轴射频电缆接头的制作结构：它由导电性能良好的金属（如紫铜）制成。从外观看它就是一根金属空管（很象用水管输送水一样），常用的有矩形和圆形两种。特点：避免了同轴线导体的损耗，又避免了平行线的辐射损耗，因此波导被广泛用与大功率微波信号的传送。波导传输线的缺点是体积大，重量重，加工困难，因此不易与小型化和集成化。波导内传输的电磁场结构与双线、同轴线不同，沿传播方向（纵向）具与电场或磁场分量。

波导传输线微带线的基本结构在高频介质(如高频陶瓷)基片上，一面全部敷上导电板，而另一面敷上带状导电条。前者使用时该导电板通常接地，所以又称接地板。微带线内传输的是准TEM波电磁能是在介质基片内传送的，其电磁场结构接近横电磁波，所以称为准TEM波。由于微带线具有体积小，重量轻，易于集成化的优点，被广泛用于微波电路中。微带线微带线分类及演变（一）对称微带（带状线）（二）不对称微带（标准微带）

带状线标准微带微带线

基于微带线的微波器件光纤电缆目前用于传输激光信号的唯一传输线一光纤波导(又称光纤电缆)，它一般由纤芯与多层包层组成。纤芯部分折射率高，包层部分折射率低，也就是说折射率沿径向呈阶梯状，而沿轴向是均匀分布。光纤波导因具有频带宽,传输容量大,损耗小,重量轻且辅设方便等优点而得到重视和应用，被称为“信息高速公路”。光纤的损耗主要来自于多模工作传输线基本参数

传输线的参数

传输线有长线、短线之分。长线和短线都是相对于电磁波波长而言的。长线：指传输线的几何长度比其上传输的电磁波的波长比值（电长度）大于或接近于1短线：指传输线的几何长度比其上传输的电磁波的波长比值（电长度）小于1，例如：在微波领域中，1m的传输线对于1000MHz(波长30cm)的电磁波而言属于_________(长/短)线在电力系统中，1000m的传输线对于50Hz(波长6000km)的交流电而言属__________(长/短)线长线传输线在传输信号时具有分布参数的特点。在高频情况下，传揄线是具有分布参数的电路。传输线的参数

要不要考虑参数的分布性，取决于其本身的线性尺寸与表征其内部电磁过程的波长之间的关系。若满足电长度大于或接近于1，需作为分布参数电路处理。当高频信号通过传输线时将产生如下一些分布参数效应分布电阻效应：导体表面流过的高频电流产生趋肤效应，使导线有效导电截面减少，高频损耗电阻加大，而且沿线各处都存在损耗，这就是分布电阻效应；分布电导效应：导线周围介质非理想绝缘体而处处存在着漏电，这就是分布电导效应；分布电感效应：导线中通过高频电流时周围存在高频磁场，磁场也是沿线分布的，这就言分布电感效应；分布电容效应：导线间有电压，存在间着高频电场，电场也是沿线分布的，这就是分布电容效应。根据传输线的分布参数是否均匀分布，可将其分为均匀传输线和不均匀传输线均匀传输线的分布参数有四个：单位长分布电阻（R0）单位长分布电导（G0）单位长分布电感（L0）和单位长分布电容（C0）它们的值取决于传输线的型式、尺寸、导体材料和周围介质参数。当传输线上载高频信号，传输线选良导体制作时，不妨认为传输线是无耗的

传输线上的电压和电流一般情况下由入射波和反射波两部分迭加而成，即

U（z）=U入（Z）+U反（Z）I（z）=I入（z）+I反（z）

微带线一端短路传输线的传播常数■α=衰减常数，表示每经过单位长度后电磁波振幅衰减的参数，量纲为奈培/米（Np/m）。若考虑传输线损耗，则α≠0。■β=相移常数，表示每经过单位长度后行波相位滞后的弧度数，量纲为弧度/米（rad/m）。即为电磁波沿传输线传播单位长度的相移，β=2π/λ。■γ=传播常数。它一般为一复数，它表示电磁波每经单位长度后振幅和相位的变化，其实部α为衰减常数，其虚部β为相移常数。即：γ=α+jβ对于无耗传输线，有下式成立：α=0；β=ω传输线的特性阻抗

可以证明，当传输线上载行波时，其沿线电压与电流的比值是一个常数，该常数被定义为传输线的特性阻抗，记作Z0

Z0==-在无耗情况下，传输线的特性阻抗近似为纯电阻，仅决定于传输线的形式、尺寸和介质的参数有关。

例如，商品同轴线（电缆）特性阻抗有50Ω、75Ω标准电缆可供选择

传输线的输入阻抗

输入阻抗是传输线理论中一个很重要的概念，它可以很方便地分析传输线的工作状态。传输线上某点向负载方向“看”的输入阻抗定义为该点总电压与总电流之比。其中β=2π/λ在传输线上该点跨接一个等于输入阻抗Zin的负载阻抗，则该点左侧线上电压和电流完全不受到影响，即两种情况是等效的。

传输线的反射系数

一般来讲，传输线工作时线上即有入射波还有反射波，为了表征传输线的反射特性，可引入“反射系数”的概念。均匀无耗传输线上某处的反射波电压（电流）与入射波电压（电流）之比定义为该处的电压（电流）反射系数，即

由于电压反射系数较易测定，因此常用电压反射系数，并用符号Γ(z)表示。显然，反射系数模的变化范围为0≤|Γ(z)|≤1。

在波导系统中定义反射系数为反射波场强值与入射波场强值之比。Γ(z)=反射系数与输入阻抗反射系数与输入阻抗都是描述传输线工作状态的重要参数，它们之间有一定的转换关系：

传输线终端反射系数，亦称为负载反射系数，记为ΓL

传输线的驻波比

为了定量评价传输线的反射情况，除了用反射系数来描述外，还常常采用能直接测量的电压驻波比（VSWR）来衡量。电压（或电流）驻波比定义为沿线电压（或电流）最大值与最小值之比，即

故驻波比的变化范围为

波导中驻波比定义为电场强度的最大值和最小值之比,用SWR表示，以区别电压驻波比VSWR。SWR=驻波比是衡量负载匹配程度的一个指标反射系数的定义我们知道，反射系数的取值范围是0~1，而驻波系数的取值范围是1~正无穷大。射频很多接口的驻波系数指标规定小于2.0。驻波比恶化意味着信号反射比较厉害，也就是说负载和传输线的匹配效果比较差。所以在一个系统中，如果驻波比很差，可能会使信号传输效果变差，通道增益下降。一个比较典型的例子就是灵敏度问题。传输线的驻波比传输线的参数回波损耗

回波损耗也是射频上用得比较多得一个名词，它和前面得反射系数、驻波比都是用来反映端口得匹配状况的。回波损耗表示端口的反射波的功率与入射波功率之比。回波损耗与反射系数的关系为：

回波损耗＝-20log|

|dB 由公式可以计算：回波损耗为26dB时，对应的反射系数为0.05，驻波比为1.1。由此也可以估计一下，驻波为2时的回波损耗是多少（9.5dB），也就可以理解对于功放后级的驻波要求为何严格。传输线的参数练习题传输线特性阻抗50Ω，终端接75Ω负载,传输线中电磁波的波长λ=1m。求:（1）距离传输线终端0.25λ处的输入阻抗？（2）传输线终端反射系数和驻波比?传输线特性阻抗50Ω，终端接75Ω负载,传输线中电磁波的波长λ=1m。求:距离传输线终端0.25λ处的输入阻抗、传输线终端反射系数和驻波比?输入阻抗传输线终端反射系数和驻波比练习题解析传输线工作状态

传输线的工作状态

其工作状态分为三种：行波状态；驻波状态；行驻波状态。

1、行波状态当传输线的负载阻抗ZL等于特性阻抗Zo时，终端反射系数

这时线上只有入射波，没有反射波，入射功率全部被负载吸收。线上载行波(只有入射波，无反射波)，输入阻抗处处相等，都等于特性阻抗Zo

波导里的行波传输线的工作状态2、驻波状态当传输线终端短路，开路或接电抗负载时，∣ΓL∣=1，表示线上发生全反射，这时负载并不消耗能量，而把它全部反射回去。此时线在完全失配状态，出现了入射波和反射波相互迭加而形成的驻波。波导一端短路时的驻波驻波、行波对比

驻波状态下：电压波腹处是电流波节点(此处电压达最大值,而电流值等于零)，电压波节点处是电流波腹点，电压节点