Mw-1.微波課件].ppt

1、 對電子與微波通信工程專業(yè)，微波技術(shù)是一對電子與微波通信工程專業(yè)，微波技術(shù)是一門重要的基礎(chǔ)課程。門重要的基礎(chǔ)課程。 究竟什么是微波？這是我們關(guān)心的首要問題。究竟什么是微波？這是我們關(guān)心的首要問題。 從現(xiàn)象看，如果把電磁波按波長從現(xiàn)象看，如果把電磁波按波長( (或頻率或頻率) )劃分，劃分，則大致可以把則大致可以把300300MHzMHz3000GHz3000GHz，( (對應(yīng)空氣中波長對應(yīng)空氣中波長是是1 1m m 0.1mm)0.1mm)這一頻段的電磁波稱之為微波?？v觀這一頻段的電磁波稱之為微波?？v觀“左鄰右舍左鄰右舍”它處于超短波和紅外光波之間。它處于超短波和紅外光波之間。1.微波的概念紅

2、外光超短波f31081051010(m)(Hz)3 10323 1063 109-13 101210-43 101510-73 101810-10無線電波光波宇宙射線視頻射頻微波紅外線可見光紫外線x射線射線波 段波長范圍頻率范圍波段名稱分米波1m10cm0.33GHz特高頻(UHF)厘米波10cm1cm330GHz超高頻(SHF)毫米波1cm1mm30300GHz極高頻(EHF)微波波段的代號及對應(yīng)的頻率范圍 波 段頻率范圍(GHz)波 段頻率范圍(GHz)UHF0.301.12Ka26.5040.00L1.121.70Q33.0050.00LS1.702.60U40.0060.00S2.60

3、3.95M50.0075.00C3.955.85E60.0090.00XC5.858.20F90.00140.0X8.2012.40G140.0220.0Ku12.4018.00R220.0325.0K18.0026.50 微波似光性衛(wèi)星通信 頻率高 多路通信 穿透電離層 天文學研究 量子特性 微波波譜學 2.微波的特點和應(yīng)用 (1).微波的兩重性微波的兩重性 微波的兩重性指的是對于尺寸大的物體，如建筑物微波的兩重性指的是對于尺寸大的物體，如建筑物火箭、導彈它顯示出粒子的特點火箭、導彈它顯示出粒子的特點即似光性或直線性即似光性或直線性而對于相對尺寸小的物體，又顯示出而對于相對尺寸小的物體，又顯

4、示出波動性。波動性。 (2).微波與微波與“左鄰右舍左鄰右舍”的比較的比較 微波的微波的“左鄰左鄰”是超短波和短波，而它的是超短波和短波，而它的“右舍右舍”又是紅外光波。又是紅外光波。 微波與超短波、短波相比較大大擴展了通訊通道，開辟了微波通訊和衛(wèi)星通訊 微波與光波段比較光通過雨霧衰減很大，特別是霧天蘭光、紫光幾乎看不見，這正是采用紅光作警戒的原因。而微波波段穿透力強。(3).宇宙宇宙“窗口窗口” 地球的外層空間由于日光等繁復的原因形成獨特地球的外層空間由于日光等繁復的原因形成獨特的電離層，它對于短波幾乎全反射，這就是短波的的電離層，它對于短波幾乎全反射，這就是短波的天波通訊方式。而在微波波段

5、則有若干個可以通過天波通訊方式。而在微波波段則有若干個可以通過電離層的電離層的“宇宙窗口宇宙窗口”。因而微波是獨特的宇宙通。因而微波是獨特的宇宙通訊手段。訊手段。 宇宙窗口宇宙窗口 (4).不少物質(zhì)的能級躍遷頻率恰好落在微波的短波段，不少物質(zhì)的能級躍遷頻率恰好落在微波的短波段，這些物質(zhì)吸收微波后會產(chǎn)生熱效應(yīng)。這些物質(zhì)吸收微波后會產(chǎn)生熱效應(yīng)。 因此，近年來微波加熱、生物醫(yī)療和微波催化等因此，近年來微波加熱、生物醫(yī)療和微波催化等領(lǐng)域已是前沿課題。領(lǐng)域已是前沿課題。(5).計算機的運算次數(shù)進入十億次，其頻率也是微波計算機的運算次數(shù)進入十億次，其頻率也是微波頻率。超高速集成電路的互耦也是微波互耦問題。

6、頻率。超高速集成電路的互耦也是微波互耦問題。 因此，微波的研究已進入集成電路和計算機。因此，微波的研究已進入集成電路和計算機。(6).微波研究方法主要有兩種：微波研究方法主要有兩種： 場論的研究方法和網(wǎng)絡(luò)的研究方法。這也是本門場論的研究方法和網(wǎng)絡(luò)的研究方法。這也是本門課程要學習的重要方法。其中場論方法的基礎(chǔ)是本征課程要學習的重要方法。其中場論方法的基礎(chǔ)是本征模理論。網(wǎng)絡(luò)方法的基礎(chǔ)是廣義傳輸線理論。模理論。網(wǎng)絡(luò)方法的基礎(chǔ)是廣義傳輸線理論。 天線天線發(fā)射機發(fā)射機傳輸線傳輸線接收機接收機信號處理信號處理及顯示及顯示傳輸線傳輸線例：微波系統(tǒng)例：微波系統(tǒng)微波微波技術(shù)技術(shù)微波電子微波電子線路線路微波微波電

7、子電子線路線路第第1 1章章由長線效應(yīng)及分布參數(shù)概念(傳輸線的物理模型)建立傳輸線的等效電路(模型)“”型網(wǎng)絡(luò)的級連廣廣義義金屬波金屬波導導歷米波歷米波,毫米毫米波波平行雙線平行雙線同軸線同軸線微帶線微帶線狹義傳輸線狹義傳輸線(米波米波,分米波分米波)TEM傳輸傳輸線線表面波表面波傳輸線傳輸線介質(zhì)柱波導、介質(zhì)柱波導、光纖光纖毫米波、亞毫毫米波、亞毫米波波米波波傳輸線的三種類型傳輸線的三種類型(1).TEM波傳輸線(2).金屬波導 (TE、TM波)(3)表面波傳輸線圖圖1.1-1傳輸線的種類傳輸線的種類平行雙線平行雙線同軸線同軸線本章主要討論：本章主要討論：平行雙線和同軸線平行雙線和同軸線2.傳

8、輸線在微波頻段工作的基本特傳輸線在微波頻段工作的基本特 點點 (1).長線效應(yīng)：長線效應(yīng)： 電氣長度電氣長度 L/:定義為,傳輸線的幾何長度L與其上傳輸?shù)碾娦盘柌ㄩL的比值. 長線長線:L/ 0.1,其上電壓或電流既隨時間變化,又隨位置變化 亦稱長線效應(yīng)長線效應(yīng). * * 在溝通大西洋電纜在溝通大西洋電纜( (海底電纜海底電纜) )時，開爾芬首時，開爾芬首先發(fā)現(xiàn)了長線效應(yīng)：電報信號的反射、傳輸都與低先發(fā)現(xiàn)了長線效應(yīng)：電報信號的反射、傳輸都與低頻有很大的不同。經(jīng)過仔細研究，才知道當線長與頻有很大的不同。經(jīng)過仔細研究，才知道當線長與波長可比擬或超過波長時，我們必須計及其波動性，波長可比擬或超過波長時

9、，我們必須計及其波動性，這時傳輸線也稱長線。這時傳輸線也稱長線。 短線短線:L/ 0.1：其上電壓或電流，隨位置的變化，波動很小，可認為相等 看成是短路 (即穩(wěn)態(tài)的電壓，電流效應(yīng)在電路中各點是同時建立起來的.) 例:當傳輸線長L=1m時,則當 f1 = 50Hz ,則1 = 6106m 為短線; f2 =300MHz, 則2 =1 m 為長線; 長線上足夠小的一段L ,則可看成短線。 圖圖1.1.2 長線與短線長線與短線短線上各點信號相同長線上各點信號不同結(jié)論結(jié)論: 長線與短線是一個相對概念，它是以其電氣長度(L/)劃分的。(2).分布參數(shù)效應(yīng): 任何一段傳輸線都存在： 分布電阻: R1 歐姆

10、/米（/m） 分布電導: G1 西門子/米 ( S/m ) 分布電感: L1 亨利/米 ( H/m ) 分布電容: C1 法拉/米 ( F/m ) 其計算公式可由電磁場理論推出，如表1.1-1 例例1.1.1 無耗同軸線(R1 = 0 ,G1 = 0),其內(nèi)導體半徑 a = 0.8 cm ,外導體半徑 b = 2.0 cm , 其間介質(zhì)參數(shù) r = 2.5 ,r = 1 。試求：該同軸線的分布電感和分布電容。 解：由表(1.1-1)，得m/F10152. 0abln2C,m/H1083. 1abln2L9171 當 f1=1kHz時,該同軸線上的串聯(lián)阻抗:XL = L1= 1.1510-3 /

11、m并聯(lián)阻抗:XC =1/C1 =1.05106 /m 可忽略它們對局部的影響,而把它們集中在一起考慮 -集中參數(shù)電路。 而當f2= 1GHz 時,則串聯(lián)阻抗:XL = L1 = 1.15103 /m并聯(lián)阻抗:XC =1/C1 =1.05 /m 這時,分布參數(shù)效應(yīng)已不能忽略,應(yīng)認為傳輸線各部分都存在有L1,C1,(R1,G1). (3).均勻傳輸線：沿線分布參數(shù)不變的傳輸線。3.傳輸線的等效電路 均勻傳輸線的線元(z),可以等效成一集中參數(shù)的“”型網(wǎng)絡(luò)，而整個傳輸線，則為“”型網(wǎng)絡(luò)的級聯(lián)。 i(z)i(z+u(z)u(z+zz+ zz)z)L zRzC zG z 長線效應(yīng)長線效應(yīng)Z的等效電路Z傳

12、輸線的等效電路網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)的級聯(lián)級聯(lián)微分段微分段dz及等及等效電路效電路無耗傳輸線無耗傳輸線均勻傳輸線的“電路模型”z0 結(jié)論結(jié)論: 這樣，就將傳輸線的問題轉(zhuǎn)化成對一個“電路問題”的討論。 均勻傳輸線的“物理模型物理模型”。 無耗傳輸線：無耗傳輸線：條件 R1 = 0 ,G1 = 0思考題：p51:1-1(p6:第二段)習題：1.2 均勻無耗傳輸線上的行波均勻無耗傳輸線上的行波問題提出：問題提出： 研究傳輸線上微波的傳輸特性。實際上，也就是研究傳輸線上高頻信號的電壓U (z,t), 電流 I (z,t) 所遵循的規(guī)律所遵循的規(guī)律傳輸線方程； 以及傳輸線方程在給定條件下的解(表明了)高頻信號在傳輸

13、線上的傳輸傳輸特性特性。條件：條件：無耗傳輸線L1 , C1 , R1 = 0, G1 = 0 .研究方法：研究方法： 有了傳輸線的等效電路電路模型電路模型。我們可以根據(jù)經(jīng)典的電路理論電路理論，從討論傳輸線上任意一段線元(z) 的電路特性入手，則全線的情況就清楚了。一、均勻無耗傳輸線方程及其解一、均勻無耗傳輸線方程及其解1. 均勻無耗均勻無耗傳輸線方程傳輸線方程 條件：條件：均勻無耗: L1,C1 , R1=0,G1=0 問題問題：如圖1.2-1，由傳輸線的等效電路電路模型電路模型，根據(jù)經(jīng)典的電路理論建立傳輸線上電壓U (z,t)、電流 I (z,t)及它們之間相互關(guān)系的方程。 圖圖1.2-1

14、 均勻無耗傳輸線的微分段及等效電路均勻無耗傳輸線的微分段及等效電路0z分析：分析：取微分段 z 看成短線則 由基爾霍夫定律基爾霍夫定律(電壓定律：回路電壓為零)，有 ) 1 . 2 . 1 (0),(),(),(1tzutzzitzLtzzuttzziLztzutzzu),(),(),(1)3 . 2 . 1 (),(),(1ttziLztzu0z 由基爾霍夫定律基爾霍夫定律（電流定律：節(jié)點電流為零）有0),(),(),(1tzittzuzCtzzi)4.2.1(),(),(1ttzuCztzi0z 對于隨時間作簡諧(正弦或余弦)變化的波, u (z,t),I (z,t):)87 . 2 .

15、1 ()(Re),(Re),()(Re),(Re),(tjtjezItzItziezUtzUtzu)4.2.1()()()3.2.1()()(11bzUCjdzzdIbzILjdzzdU(1.2.3),(1.2.4)9 . 2 . 1 (. 0,1122211122UCLdzUdUCjLjdzdILjdzUd即)10.2.1(0)9.2.1(0222222bIdzIdbUdzUd.CL1122無耗傳輸無耗傳輸線方程線方程( (波動方程波動方程) ) 2. 傳輸線方程的解傳輸線方程的解由(1.2.8)得 U (z) , I (z) 的通解通解: .,)122 . 1 ().(11)()112 .

16、 1 (,)(210121為待定常數(shù)式中BAeAeAZdzdULjzIeAeAzUzjzjzjzj.;);,11011122無耗傳輸線的特性阻抗無耗傳輸線的相移常數(shù)無耗傳輸線的傳播常數(shù)CLZCLjCL 如果給定邊界條件給定邊界條件:在末端負載處,即則 得特解特解 : (1) .特解特解(指數(shù)形式)： .,)0(,)0(, 0lllllIUZIIUUz)(121021AAZIAAUll220201ZIUAZIUAllllzjllzjllzjllzjlleZZIUeZZIUzIeZIUeZIUzU00000022)(22)(邊界條件邊界條件(1.2.9),(1.2.10)(1.2.11a) 應(yīng)用歐

17、拉公式： (2).特解特解(三角函數(shù)的形式)： )(00)(00)(0)(022),(22),(ztjllztjllztjllztjlleZZIUeZZIUtzIeZIUeZIUtzUzjzezjzezjzjsincossincoszIzZUjzIzZjIzUzUllllcossin)(sincos)(00 (1.2.11)可以寫成(1.2.12)(1.2.11b)由末端負載阻抗:(1.2.11)可以寫成.lllllllllZIUZUIIUZzjllzjllzjllzjlleZZZUeZZZUzIeZZUeZZUzU)1 (2)1 (2)()1 (2)1 (2)(000000(1.2.11c)

18、3. 傳輸線方程解的物理意義傳輸線方程解的物理意義 由(1.2.11b): 物理意義：物理意義： (1). t+z = C = 常數(shù),為等相位面,它的移動方 向,為波的傳播方向；),(),(22),(),(),(22),()(00)(00)(0)(0tzItzIeZZIUeZZIUtzItzUtzUeZIUeZIUtzUztjllztjllztjllztjll :行波因子。表示沿 - Z方向傳播的行波， 這里稱之為入射波； :行波因子。表示沿Z方向傳播的行波， 這里稱之為反射波。 (2). 式(1.2.11b)表明： 傳輸線上任一點的電壓波 (或電流波 ) 應(yīng)等于該點 入射電壓波 (或電流波

19、)和反射電 壓波 (或電流波 )的疊加。)zt( je)zt( je) t , z (U) t , z ( IUIUI討論：討論： (1). (1.2.11b)中， 第一項：等相位面 = 常數(shù) ， czt， 當 時, ,等相位面 = 常數(shù)，向 Z 減小的方向（Z方向）傳播（入射波）； 第二項：等相位面 = 常數(shù)， 當 時， ,等相位面 = 常數(shù),向 Z 增大的方向（+Z方向）傳播（反射波）。tZcztczttZczt (2). 當末端負載全部吸收，不反射時，即 傳輸線處于行波工作狀態(tài)；行波工作狀態(tài)； 當末端負載全部反射，不吸收時，即 傳輸線處于駐波工作狀態(tài)；駐波工作狀態(tài)； 當末端負載部分吸收，

20、部分反射時，即 傳輸線處于復合波復合波(行、駐波行、駐波)工作狀態(tài)工作狀態(tài).),(),(),(),(; 0),(, 0),(tzItzItzUtzUtzItzU)z(I)z(I,.)z(U)z(U) z (I) z (I,.) z (U) z (U二、均勻無耗傳輸線上行波的傳輸特性參數(shù)二、均勻無耗傳輸線上行波的傳輸特性參數(shù) 行波：行波：指沿單一方向，一直向前行進的波。 入射波、反射波，都是行波。 1.特性阻抗特性阻抗 Z0 定義：定義：依據(jù)(1.2.11)式，有 表示傳輸線上，行波電壓 與行波電流 的比值；或傳輸線對行波所呈現(xiàn)的阻抗； 單位：歐姆()；對無耗傳輸線而言，它是一實常數(shù)。) z (

21、I) z (UZ0UI110CLZ I討論討論: (1). Z0僅決定于分布參數(shù)傳輸線的結(jié)構(gòu)，常用于表示傳輸線的規(guī)格； (2). Z0 呈純阻性（實常數(shù)），表示U+、I+同相； (3).常用規(guī)格：平行雙線: 600, 400, 300； 同軸線：75,50.2. 相波長和相移常數(shù)相波長和相移常數(shù) (1).相波長相波長g 定義：相波長定義：相波長g為為在穩(wěn)態(tài)時諧情況下，在同一時刻，傳輸線上行波相位相差2的兩點間的距離。 單位單位：m. 圖圖1.2.2 傳輸線上的相波長傳輸線上的相波長.222;2)()(,1131311131rrrrggfcCLfzzztztzz (2). 相移常數(shù)相移常數(shù) 定義

22、：定義：傳輸線上的行波每前進單位距離，相位滯后的值。 單位：單位：0 /m 或或 rad / m 。 公式：公式： )21. 2 . 1 (.2,2)(1131CLzzgg (3) . 相速度相速度 定義：定義：傳輸線上行波的等相位面前進的速度， 單位：單位：m / s 。 公式：公式： 由式(1.2.11b)第一項，入射波的相位項，pggpzzzzpfeettzzttezezztzt2121212122211 結(jié)論：結(jié)論： 沿傳輸線傳輸?shù)母哳l電磁信號，其相速小于真空中的光速，它的大小與線間介質(zhì)有關(guān)； 式(1.2.23)中，分母 稱為縮短系數(shù)。表示信號在自由空間的波長與在傳輸上相應(yīng)的相波長之比

23、，即 ).(1031)23. 2 . 1 (111800001111smcc，cCL，CL，rrrrp則由rrrrg例例 1.2.1：SYV-75-9 同軸線 求求 ： 解解 ： ;100, 1, 3 . 2MHzfrr?.3).2(;,).1(時mzgp).(03. 398. 1322).2()(.98. 13 . 23/,/1098. 13 . 2103).1 (88radzzmfcfsmcgrrpgrrp影響電長度波長縮短實際問題實際問題等效電路等效電路(物理模型物理模型)波動方程波動方程 特解特解對解進行物理解釋對解進行物理解釋邊界條件邊界條件物理分析物理分析(建模建模)小結(jié)小結(jié): :

24、 本節(jié)求解傳輸線問題的思路:. 00: )3;: )2;),(),(),(),(: ) 1:. 1:2222221111IdzIdUdzUdUCjdzdIILjdzdUttzuCztzittziLztzu形式形式形式無耗傳輸線方程小結(jié).cossin)(;sincos)(: ) 3.)1 (2)1 (2)(;)1 (2)1 (2)(: )2.22)(;22)(: ) 1:. 200000000000000zIzZUjzIzZjIzUzUeZZzUeZZzUzIeZZUeZZUzUezZIUezZIUzIeZIUeZIUzUllllzjllzjllzjllzjllzjllzjllzjllzjll形

25、式形式形式無耗傳輸線方程的解.11;2;2;)()(:. 311110110rrgpgrrgcCLfCLCLzIzUZ傳輸特性參數(shù)1.3 輸入阻抗、反射系數(shù)和駐波比輸入阻抗、反射系數(shù)和駐波比 為了描述一般情況下，高頻信號沿傳輸線的傳輸特性，需要引入一些特性參數(shù)特性參數(shù)來度量。1.3.1 輸入阻抗和輸入導納輸入阻抗和輸入導納1. 輸入阻抗輸入阻抗(Input Impedance) 定義：定義：傳輸線上某一點z的輸入阻抗Zin為該點的 電壓U(z)與電流I(z)的比值。即) 1 . 3 . 1 ()()()(zIzUzZin 公式：公式：對于均勻無耗傳輸線,由傳輸線方程的解(1.2.12)式得，

26、)2 . 3 . 1 (cossinsincos)()()(00000ztgjZZztgjZZZzIzZUjzZjIzUzIzUzZllllllin討論：討論： (1). Zin(z) 決定于Z0、Zl和z的值,即任一點的輸入阻抗相當于： a.從該點向負載方向看去的輸入阻抗； b.負載經(jīng)一段傳輸線變換后在該點所呈現(xiàn)的阻抗； c.該點右邊的一段傳輸線和負載可以用值為Zin的集中阻抗來等效。 (2). 因為函數(shù)tgz 的周期為, 所以 Zin(z) 的周期為g / 2;.4)(4) 12(4) 12(;2)(4242204)12(42阻抗變換性時得當阻抗重復性得時當lnzinglnzingZZzZ

27、nnzZzZ，nnz2輸入導納（輸入導納（Input Admittance）（）（自學）自學）定義：定義： llllininZYZYzctgjYYzctgjYYYzZzY1.1)(1)(000000 在傳輸線并聯(lián)電路的計算中，采用導納有時比較方便。 例例1.3.1 已知：已知：傳輸線電路如圖， 求：求：AA/ 的輸入 阻抗ZAA 解解： BC = CD =/ 2 ZB1 = ZC = ZD = 2Z0 BE =/ 4 ZB2 = Z02 / ZE = 2Z0： ZB = ZB1 / ZB2 = Z0 AB段呈行波，ZAA=Z0方法： 1.順序：從負載向信號源方向； 2.先支線，后干線； 3.注

28、意問題的特點： ).4(4*.), 0 ,?(0的倍數(shù)關(guān)系與線段長度負載lZZl1.3.2 反射系數(shù)反射系數(shù)(Reflected Coefficient) 為了描述傳輸線上某點(z)的反射強弱程度，工程上通常定義：定義： 電壓反射系數(shù)電壓反射系數(shù)討論：討論： 1. (z)是一個復數(shù),既反映了該點入射波(電壓)與反射波(電壓)之間幅值的大小;同時,也反映了該點入射波(電壓)與反射波(電壓)之間的相位差。jzjezeABzUzUz)()()()(2 2.末端(z = 0)負載的反射系數(shù)l(0)：.,)0()0()0()0()0(000000入射波電壓的相位差為負載處反射波電壓與ljllllllll

29、lllllleZZZZZIUZIUZIUZIUUU 3. 任一點(單支路)的反射系數(shù)(z):：)2(200)0()()0()()()()()(zjlzjlzjllzjlllezeeZIUeZIUzUzUz 對一段均勻無耗傳輸線： |與位置無關(guān),軌跡為復平面上的圓，相位沿線變化,如圖1.3.4所示。 4. 負載阻抗Zl與反射系數(shù)l(z)的關(guān)系： 不同負載阻抗Zl與反射系數(shù)l(z)的關(guān)系,如表 1.3.2 所示： 而由(1.3.5)式，得 )6.3.1()0(1)0(10lllZZ1.3.3 駐波比駐波比 (Voltage Standing Wave Ratio - VSWR) 由于,反射系數(shù)是一

30、個不便于直接測量的參數(shù),為此,我們需要引入一個便于測量的量,即駐波比駐波比.它同樣是用來描述傳輸線上高頻信號的傳輸特性(或反射情況),它是雷達天饋系統(tǒng)的重要參量. 1. 定義：定義： 即傳輸線上(指一個傳輸支路上指一個傳輸支路上)電壓(或電流)最大值與最小值之比。)9 .3 .1 (1)()()()(minmaxminmaxzIzIzUzU 2. 與與(z)的關(guān)系的關(guān)系 電壓節(jié)點時當則電壓腹點時當.,)12(2|)|1 ()(:.,221 )()2(max)2()2(lzjlllllzjllzjlzjlzjlzjllllenzzUUzUenzeeUeUeUzU )13. 3 . 1.(.111

31、111)()(|)|1 ()(:minmaxmin而則llllzUzUzUUzU1.3.4 輸入阻抗與反射系數(shù)、駐波比的關(guān)系輸入阻抗與反射系數(shù)、駐波比的關(guān)系 )15. 3 . 1.(.)()()()14. 3 . 1.(.)(1)(1)(1)()(1)()()()()()()()(000ZzZZzZzzzZzzIzzUzIzIzUzUzIzUzZininin )17. 3 . 1 (/1111,:).3()16. 3 . 1 (;1111,:).2(;,11:) 0 z ().1 ( :000000000ZzzZzzZZZzzZzzZZZZZZZZininllllll節(jié)則電壓節(jié)點處腹則電壓腹點

32、處末端負載處討論 zYYzYYzinin00 )21. 3 . 1 (11)20. 3 . 1 (/11)19. 3 . 1 ()()()(11,).4(0000000YzzZYYzzZYzYYzYYzzzYzYininininin節(jié)腹相應(yīng)地 例：例：1.3.3 如圖如圖(1.3.2)求：求： (1). B、C、D、E點的反射系數(shù)； (2). AB、BC、CD、BE各段上的駐波比。 ).(0);2(3/1,;312/2/;22,).1 (:000000000000000000ZZZZZZZZZZZZZzZZzZzZZZZZZZZZZZZBBBBCCCCininEDlll得由解 (2). 由于各

33、點處的負載阻抗和輸入阻抗均為實數(shù)，可用公式 2/, 1/, 2/;2/222/00000000000EBEBABCBCCDZZZZZZZZZZZZZZ當當 /,00ZZZZinin節(jié)腹1.4 無耗傳輸線的工作狀態(tài)無耗傳輸線的工作狀態(tài) 目的要求： 1.了解產(chǎn)生行波、駐波、復合波的條件. 2.掌握電壓、電流和輸入阻抗沿線分布情況. 3.掌握各種工作狀態(tài)下的相應(yīng)工作參量及相互關(guān)系. 重點：重點： 1.各種工作狀態(tài)的產(chǎn)生條件 2.電壓，電流和輸入阻抗的分布及傳輸功率 3.新的工作參量, 思考題：1.19;1.20;1.21;1.22;1.23;1.25; 1.27;1.36;1.37 習 題：1.24

34、;1.29;1.30; 1.32;1.33;1.8 基本問題：基本問題： 無耗傳輸線有三種工作狀態(tài) (行波、駐波、復合波).現(xiàn) 在,我們將分別討論，在這三種工作狀態(tài)下,無耗傳輸線上，高頻信號的傳輸特性。 即 1.電壓、電流和輸入阻抗沿線的分布 規(guī)律； 2.功率傳輸情況. 研究方法： 依據(jù)無耗傳輸線方程及其解.1.4.1 行波狀態(tài)（行波狀態(tài)（Travelling Wave） 行波工作狀態(tài)：行波工作狀態(tài)：指只有入射波而無反射波的情況。這時，能量全部為負載吸收。 條件：條件： 分析：分析：0ZZl).()1 (2)1 (2)();()1 (2)1 (2)(000000zIeZUeZZzUeZZzUz

35、IzUeUeZZUeZZUzUzjllzjllzjllzjlzjllzjll (1).傳輸線上傳輸線上電壓、電流沿線分布：電壓、電流沿線分布： 瞬時式：瞬時式： 某一瞬間行波電壓的沿線分布，及線上各點行波電壓隨時間 的變化 ：)2 . 4 . 1 ()cos(),()cos(),(AlAlztItziztUtzu. 111:).4(. 0)(, 0)(:).3()3 . 4 . 1 (.)(,:).2(00000llllinlzzUZztgjZZztgjZZZzZZZ傳輸線上的駐波比傳輸線上的反射系數(shù)傳輸線上的輸入阻抗)4 . 4 . 1 (.212121)()(Re21)(:).5(0202

36、*llllIUZIZUzIzUzP傳輸線上的傳輸功率結(jié)論結(jié)論: 傳輸線上行波的傳輸特點傳輸線上行波的傳輸特點 (1).沿線各點電壓、電流振幅不變(有效值處處相等), 線上任一點的電壓u(z,t)、電流i(z,t)同相。 (2).沿線各點的輸入阻抗 Zin(z) = Z0 =Zl , 反射系數(shù) (z)=0 , 駐波比 =1 ; (3)線上各點的傳輸功率P(z)相等，全部功率被負載吸收，即行波最有效地傳輸能量。 例例1 1.4.4.1 1: : 已知圖(1.4.2)中無耗線的 輸入 的信號電壓為 伏,線段 . 試求: 點的電壓瞬時值表達式，并繪出上述各處電壓隨時間變化的圖形。 解：因為 ， 線上呈

37、行波，其上信號 電壓表達式為：00,200ZRZltusin105 . 0,25. 0bcab, , ccbbaa,sin10)75. 02cos(),(,2,75. 0),cos(),(ttUtzubcabzztUtzuAlaaAl0ZRl 取： ， 得 對 aa點， 對 bb點， 對 cc點， 上述各處電 壓隨時間變化的圖形: )23tcos(tsin),ztcos(10u),v(10U, 0lA)23tcos(10) t ,z(ua)tcos(10) t ,z(ub)0tcos(10) t ,z(uc1.4.2 駐波狀態(tài)駐波狀態(tài) (standing wave) 駐波工作狀態(tài)：駐波工作狀態(tài)

38、：指只振動不傳播的波.這時,線上將產(chǎn)生全反射,反射波與入射波幅度相等,負載完全不吸收傳輸功率. 條件：條件：1. 末端短路時末端短路時 ( ),的駐波：的駐波： 條件：條件： 分析：分析： , 1;, 0lljXZ0lZ0lZ.coscossin)(;sinsincos)(000zIzIZUjzIzZjIzZjIzUzUllllll0lU).cos(cos)cosRe(),();2cos()2cos()sin(sin)sinRe(),(:).1 (000lltjllllltjltzIzeItzitzZItzZIzeZjItzu、瞬時式電流沿線分布傳輸線上電壓.11:).4(. 1:).3(.)

39、(, 0:).2(000000lllllllinlZZZZztgjZztgjZZztgjZZZzZZ傳輸線上的駐波比傳輸線上的反射系數(shù)分布傳輸線上輸入阻抗沿線.,. 0)cos(sinRe21)()(Re21)(:).5(*0*只能儲存能量駐波不能傳輸能量傳輸線上的傳輸功率zIzZjIzIzUzPll結(jié)論結(jié)論: 末端短路時傳輸線上駐波的傳輸特點末端短路時傳輸線上駐波的傳輸特點 (1).對于固定時刻t,沿線各點u(z,t)、i(z,t)隨空間位置的變化,相位相差/2(即電壓最大處電流為零,或相反); (2).對于固定位置z，沿線各點u(z,t)、i(z,t)隨時間的變化相位相差/2(即時間上正交

40、,沒有能量傳輸); (3).沿線各點u(z,t)、i(z,t)隨時間在原地作簡諧變化，駐定不變(只振動，不傳播)；其振幅的腹點和節(jié)點分別為：Fig1.4.4.42:,:;4) 12(:, 0:cos)(:.4) 12(:,:;42:, 0:sin)(:00nzInzzIzIinzZInzzZIzUullll位置大小腹點位置大小節(jié)點的振幅位置大小腹點位置大小節(jié)點的振幅可見：相鄰電壓節(jié)點(或腹點)之間相距/2;相鄰電壓節(jié)點與腹點之間相距/4; (4).沿線各點的輸入阻抗: Zin(z) = jZ0tgz ,見表1.4.1 (感抗,諧振,容抗) 反射系數(shù) l =1 , 駐波比 = ; (5).不傳輸

41、能量,只儲存能量.2. 末端開路時末端開路時 ( ),的駐波：的駐波： 條件：條件： 分析：分析： lZlZ.sincossin)(;cossincos)(000ZUjzIZUjzIzUzZjIzUzUllllll0lI).2cos()2cos()sin(sin)sinRe(),();cos(cos)cosRe(),(:).1 (000/tzZUtzZUeZUjtzitzUzeUtzu、llltjllltjl瞬時式電流沿線分布傳輸線上電壓.11:).4(. 1:).3(.)(,:).2(000000lllllllinlZZZZzctgjZztgjZZztgjZZZzZZ傳輸線上的駐波比傳輸線上

42、的反射系數(shù)分布傳輸線上輸入阻抗沿線.,. 0)sin(cosRe21)()(Re21)(:).5(*0*只能儲存能量駐波不能傳輸能量傳輸線上的傳輸功率ZUjzUzIzUzPll結(jié)論結(jié)論:末端開路時傳輸線上駐波的傳輸特點末端開路時傳輸線上駐波的傳輸特點 (1).對于固定時刻t,沿線各點u(z,t)、i(z,t)隨空間位置的變化,相位相差/2(即電壓最大處電流為零,或相反); (2).對于固定位置z，沿線各點u(z,t)、i(z,t)隨時間的變化相位相差/2(即時間上正交,沒有能量傳輸); (3).沿線各點u(z,t)、i(z,t)隨時間在原地作簡諧變化，駐定不變(只振動，不傳播)；其振幅的腹點和

43、節(jié)點分別為：Fig1.4.4.4) 12(:,:;42:,0:sin)(:.42:,2:;4) 12(:,0:cos)(:max0min0maxminnzIZUnzIzZUzIinzUUUnzUzUzUullll位置大小腹點位置大小節(jié)點的振幅位置大小腹點位置大小節(jié)點的振幅可見：相鄰電壓節(jié)點(或腹點)之間相距/2;相鄰電壓節(jié)點與腹點之間相距/4; (4).沿線各點的輸入阻抗:Zin(z) = jZ0 ctgz , 見表1.4.1 (容抗,諧振,感抗) 反射系數(shù) l =1 , 駐波比 = ; (5).不傳輸能量,只儲存能量. 延長線段法：延長線段法：與末端短路線相比較，將其從末端與末端短路線相比較

44、，將其從末端負載起截去一段負載起截去一段/4，即得開路線上的相應(yīng)，即得開路線上的相應(yīng)分布。分布。3.末端接純電抗負載末端接純電抗負載( )條件：條件：分析：分析：應(yīng)用延長線段法延長線段法將電感(或電容)用一段長L/4的短路線（或開路線）來等效 。, 1llljXZlljXZ)14. 4 . 1 ()(2)13. 4 . 1 (),(200ZXarcctglZXarctglCCLL.,00CClLLllctgjZjXZltgjZjXZ結(jié)論：結(jié)論： 接純電抗時,負載處既不是電壓節(jié)點,也不是電壓腹點；線上電壓、電流和阻抗分布及功率傳輸與開、短路相似 。差別只是將各種分布曲線偏移一定的距離。4.駐波的

45、應(yīng)用駐波的應(yīng)用: (1).絕緣支架：利用/4末端短路線作絕緣支架。 (2).濾波器：對所有偶次諧波起濾波作用。 (3).調(diào)節(jié)線:調(diào)節(jié)L,形成LC振蕩回路,改變振蕩器的振蕩頻率。 (4).收發(fā)開關(guān)（T/R）：實現(xiàn)收發(fā)轉(zhuǎn)換。圖圖1.4.6 絕緣支架絕緣支架圖圖1.4.7高頻振蕩器高頻振蕩器圖圖1.4.8 1.4.8 收發(fā)開關(guān)收發(fā)開關(guān)圖圖1.4.91.4.9 例1.4.2 判斷圖1.4.9(a)所示傳輸線電路是否為諧振電路，并畫出它的等效電路。 解：設(shè) 有： 當 時，為串聯(lián)諧振 ；其余各點為并聯(lián)諧振。 XAB 4,04,/)2(2100201xxZZZxctgjZxctgjZZxctgjZZBB4/

46、x 1.4.3 復合波狀態(tài)復合波狀態(tài) 復合波工作狀態(tài)：復合波工作狀態(tài)：即傳輸線上同時存在行波與駐波的工作狀態(tài)。 條件：條件： 分析：分析： (1).電壓、電流振幅沿線沿線分布： 1 , 10;jX, 0ZZl0l.sin2)()(;cos2)()()()(00駐波行波駐波行波zZUjeZUUzIzUeUUeeUeUUeUeUzUlzjlllzjllzjzjlzjllzjlzjl. )2cos(21)(1)(. )2cos(21)(1)(:20)2(02)2(zZUzIeeZUzIzUzUeeUzUllllzjlzjlllllzjlzjlll用反射系數(shù)來表示.2cos21)(;2cos21)(.

47、, 01:2020zZUzIzUzUZRZllllllllllll為例以0minmin0maxmaxmaxminmaxmin0:.42:)(;4)12(:)()(.4)12(:)(;42:)(:)(:ZIUZIUnzzInzzIzInzzUnzzUzUZRZll常用公式腹點節(jié)點腹點節(jié)點為例以40lZR minmaxIUmaxminIU0ZmaxRminR0minmin0maxmax:ZIUZIU常用公式.).().()10. 4 . 1 (,)20. 4 . 1 (.).(:)20. 4 . 1.(.)()()()()()(sec)()19. 4 . 1.().()()()()(0022020

48、00220220000可由延長線段法討論得圖式由討論llllllllllllinlllinininllllinjXRZcZRZbZRZaztgRztgXZztgRztgZXztgXZZzXztgRztgXZzRZzRzjXzRztgjXRjZztgjZjXRZzZ(2). 輸入阻抗的沿線分布：輸入阻抗的沿線分布： 20min0maxminmax0minmaxminmax)()(/)()(,).(ZZZRZIUZRZUUIUZdinininin節(jié)腹節(jié)腹輸入阻抗為純電阻在電壓腹點和電壓節(jié)點 Fig1.4.4 Fig 1、4、10(3).復合波工作狀態(tài)下傳輸?shù)墓β蕪秃喜üぷ鳡顟B(tài)下傳輸?shù)墓β?)1(2

49、2)1(211Re21)()(Re21)(2220202202)2()2(02*lllllllzjlzjllPPPPPZUPZUPZUeeZUzIzUzPll 通常利用腹點、節(jié)點值求傳輸功率：結(jié)論：復合波狀態(tài)是傳輸線上最一般的工作狀態(tài)，行波狀態(tài) 和駐波狀態(tài) 均為其特例。 )28. 4 . 1.(.221221)27. 4 . 1.(.212102min02max02min02maxmaxminminmaxZIZIZUZUIUIUP)0()1( 1.5 傳輸線的阻抗匹配傳輸線的阻抗匹配 1.5.1 匹配的概念匹配的概念 1、負載匹配：、負載匹配：指負載與傳輸線之間的匹配。它保證傳輸線 上的能量全

50、部傳給負載。（ 行波） 匹配條件： 不匹配時：設(shè)傳輸線的擊穿電壓為 由（1.4.28) 變?。?是擊穿 功率，功率容量 將影響傳輸線的最大傳輸功率。 2、信號源匹配：、信號源匹配：指信號源與傳輸線之間的匹配。它保證傳 輸線的始端無反射，且不產(chǎn)生二次反射 （即，當負載處存在反射信號時，反射信 號被信號源內(nèi)阻吸收。） 0lZZ brbrbrPZUP.|2102brPbrPbrU 匹配條件： 匹配與雷達威力：以 為基準 時， 探測距離減少4% 時， 探測距離減少9% 3、共軛匹配：、共軛匹配：指傳輸線與信號源之間的共軛匹配。 它保證信號源有最大輸出功率。 匹配條件： 當 保證最大功率輸出 保證行波狀態(tài) 0gZR167. 150. 2g2gmaxginR8|E|P.ZZl0gZZZ 1.5.2 阻抗匹配的方法阻抗匹配的方法 方法：方法：采用匹配裝置,把不等于Z0的負載阻抗,變換成等于 Z0的等效負載. 以米波為例： 1. /4 阻抗變換器阻抗變換器 Fig 1.5.4條件條件:純阻負載Zl=RlZ0方法方法: 在負載與傳輸線之間插入一段特性阻抗為 Z01的/4傳輸線.原理原理:) 3 . 5 . 1 (.,/001201llllaaZZZZRRZZ 因此,只要適當選取Z01(如式1.5.3),就可實現(xiàn)主傳輸線的匹配.應(yīng)用范圍應(yīng)用