微波技術(shù)基礎(chǔ)電子科大第15次課

1、微波技術(shù)基礎(chǔ)詹銘周 副教授電子科技大學(xué)電子工程學(xué)院 地點(diǎn)：清水河校區(qū)科研樓B336 電話：61830860 電郵：回顧回顧l分布參數(shù)電路傳輸線微元化電報(bào)方程電壓波電流波表達(dá)式三種端接條件l傳輸線的分布參數(shù)傳輸線的特性參數(shù)傳輸線的工作參數(shù)l傳輸線的三種工作狀態(tài)內(nèi)容內(nèi)容l0、行駐波特性、行駐波特性l1、均勻、均勻有耗線的特性有耗線的特性l2、功率與損耗、功率與損耗l3、有耗線理論的應(yīng)用有耗線理論的應(yīng)用l4、有耗、無(wú)耗線的對(duì)比有耗、無(wú)耗線的對(duì)比l5、均勻波導(dǎo)等效為傳輸線均勻波導(dǎo)等效為傳輸線(掌握等效的掌握等效的依據(jù)和原則依據(jù)和原則)5.6.3 5.6.3 行駐波狀態(tài)行駐波狀態(tài)最普遍的部分反射情況最普

2、遍的部分反射情況產(chǎn)生條件：傳輸線終端為產(chǎn)生條件：傳輸線終端為一般負(fù)載一般負(fù)載，即，即波的分布狀態(tài)：傳輸線上既有行波又有駐波，稱為行波的分布狀態(tài)：傳輸線上既有行波又有駐波，稱為行 駐波。波節(jié)不為零，波腹也不等于終端入射波振幅的駐波。波節(jié)不為零，波腹也不等于終端入射波振幅的 兩倍，反射波小于入射波。兩倍，反射波小于入射波。行駐波狀態(tài)下，有行駐波狀態(tài)下，有 LLLZRjX00LLLLLRjXZRjXZ 2202201LLLLLRZXRZX1022202LLLLZ XtgRXZRL0XL0時(shí)，時(shí)，RLZ0傳輸線的工作狀態(tài)傳輸線的工作狀態(tài)行行駐波狀態(tài)駐波狀態(tài)(2)( )112cosLjzj zj zLL

3、LLLLV zU eeUeUz (2)( )112sinLjzj zj zLLLLLLI zI eeIeIz max1LLVU max1LLII min1LLVU min1LLII l因此電壓電流的表達(dá)式為：因此電壓電流的表達(dá)式為：注意：與行波、注意：與行波、駐波的差別駐波的差別由形式似乎看出：由形式似乎看出：前一部分是行波，而后一部分是全駐波。前一部分是行波，而后一部分是全駐波。z00UII,Z =R +XlllUUUmaxmin 行 波 部 分 駐 波 部 分11S 1S min44Lggl 行駐波狀態(tài)下的工作參量行駐波狀態(tài)下的工作參量 000LinLZjZ tgzZzZZjZ tgz2L

4、jzLe 01L 電壓駐波比電壓駐波比S的物理意義是電壓振幅最大值與最小值的物理意義是電壓振幅最大值與最小值之比。它應(yīng)大于等于之比。它應(yīng)大于等于1。對(duì)于行波為，對(duì)于全駐波為。對(duì)于行波為，對(duì)于全駐波為無(wú)窮大。電壓駐波比無(wú)窮大。電壓駐波比S是是系統(tǒng)參量系統(tǒng)參量，而不是線上各點(diǎn)而不是線上各點(diǎn)的函數(shù)。的函數(shù)。負(fù)載阻抗與駐波系數(shù)，駐波相位的關(guān)系式為負(fù)載阻抗與駐波系數(shù)，駐波相位的關(guān)系式為minmin1LCjStg lZZSjtg l波腹處波腹處，輸入阻抗為，輸入阻抗為波節(jié)處波節(jié)處，輸入阻抗為，輸入阻抗為maxmax00min01111LLVVZZZ SIVZ minmin0max011LLVVZZSIVZ

5、 行駐波狀態(tài)下沿線電壓電流振幅分布行駐波狀態(tài)下沿線電壓電流振幅分布l特點(diǎn)：l電壓電流分純駐波分布完全相似lRLjXL的情況與jXL類似lRLZo與開(kāi)路類似lRLS(z), 無(wú)耗線的無(wú)耗線的S與距離與距離z無(wú)關(guān)無(wú)關(guān)221( )11( )1zLzLzeSze 思考題：思考題：有耗線與無(wú)耗線相比，駐波系有耗線與無(wú)耗線相比，駐波系數(shù)是增大了還是減小了？數(shù)是增大了還是減小了？10203040506070809001003. 23. 43. 63. 84. 04. 24. 44. 64. 83. 05. 0lVSW R 1衰減常數(shù)為衰減常數(shù)為0.02NP/m的有耗的有耗線在端接線在端接10歐姆負(fù)歐姆負(fù)載時(shí)

6、，傳輸線長(zhǎng)度載時(shí)，傳輸線長(zhǎng)度從從1mm到到100mm的駐波變化情況：的駐波變化情況：53.2負(fù)載阻抗與駐波系數(shù)，駐波相位的關(guān)系式為負(fù)載阻抗與駐波系數(shù)，駐波相位的關(guān)系式為minminminmin1LCjS lthlZZS ljthl每個(gè)波腹處每個(gè)波腹處，輸入阻抗為，輸入阻抗為每個(gè)波節(jié)處每個(gè)波節(jié)處，輸入阻抗為，輸入阻抗為 22maxmax0022min01111zzLzzLVeeVZZZ S zIeVeZ 2minmin02max011zLzLVeVZZS zIVeZ min?S l此時(shí)，通過(guò)測(cè)試最大最小電壓法測(cè)試此時(shí)，通過(guò)測(cè)試最大最小電壓法測(cè)試麻煩，麻煩，一般不用損耗大的線作為測(cè)試一般不用損耗大

7、的線作為測(cè)試系統(tǒng)系統(tǒng)傳輸線上任意一點(diǎn)處得輸入阻抗傳輸線上任意一點(diǎn)處得輸入阻抗 工程應(yīng)用的方便，關(guān)心長(zhǎng)度為工程應(yīng)用的方便，關(guān)心長(zhǎng)度為l的有耗傳輸線的有耗傳輸線 終端短路終端短路 終端開(kāi)路終端開(kāi)路一種有耗傳輸線特性阻抗的測(cè)量方法一種有耗傳輸線特性阻抗的測(cè)量方法 1. 1. 測(cè)出其終端短路的始端輸入阻抗測(cè)出其終端短路的始端輸入阻抗 ； 2. 2. 測(cè)出其終端開(kāi)路的始端輸入阻抗測(cè)出其終端開(kāi)路的始端輸入阻抗 。 3. 3. 00001( )( )1( )LinLZZ th zzZzZZZZ th zz0scinZZ th l0LZ LZ 0ocinZZ cth l)()(0ocinscinZZZ( )s

8、cinZ( )ocinZ5.7 有耗傳輸線的特性分析有耗傳輸線的特性分析 注意是復(fù)數(shù)注意是復(fù)數(shù)有耗線的傳播常數(shù)有耗線的傳播常數(shù)( )1( )scinocinZjarcthZ5.7 有耗傳輸線的特性分析有耗傳輸線的特性分析由于開(kāi)路和短路輸入阻抗是復(fù)數(shù)，將其展開(kāi)為由于開(kāi)路和短路輸入阻抗是復(fù)數(shù)，將其展開(kāi)為實(shí)部和虛部，可得衰減常數(shù)和相位常數(shù)。實(shí)部和虛部，可得衰減常數(shù)和相位常數(shù)。提供了一種微波測(cè)試的依據(jù)，來(lái)測(cè)試微波傳輸提供了一種微波測(cè)試的依據(jù)，來(lái)測(cè)試微波傳輸線的特性參數(shù)。線的特性參數(shù)。5.8 傳輸功率與傳輸效率5.8.1 5.8.1 傳輸功率傳輸功率 傳輸線上任一點(diǎn)z通過(guò)功率的時(shí)間平均值 1Re2P z

9、V z I z011Re( )( )( )( )2VzVzVzVzZ2022011Re( ) 1( )1( )211Re( )1( )2( ) sin22LVzzzZVzzjzzZ 還可以表示為還可以表示為222max0011( )22VP zVZSZ S 5.8 傳輸功率與傳輸效率2201( )( )1( )2P zVzzZ ( )( )irP zP z通過(guò)功率等于入射波功通過(guò)功率等于入射波功率與反射波功率之差。率與反射波功率之差。傳輸功率的擊穿功率，或稱為傳輸線的功率容量傳輸功率的擊穿功率，或稱為傳輸線的功率容量結(jié)論：結(jié)論：線上耐壓一定時(shí)，駐波系數(shù)越小傳輸功率越大，功率線上耐壓一定時(shí)，駐波

10、系數(shù)越小傳輸功率越大，功率容量也越大。容量也越大。22brbroUPZ S20(1)dPPe傳輸線有耗，但終端接匹配負(fù)載，如輸入端傳輸功率為，則經(jīng)過(guò)線傳輸線有耗，但終端接匹配負(fù)載，如輸入端傳輸功率為，則經(jīng)過(guò)線長(zhǎng)的傳輸后，消耗在有耗線中的功率為長(zhǎng)的傳輸后，消耗在有耗線中的功率為5.8 傳輸功率與傳輸效率l5.8.2傳輸效率傳輸線的傳輸效率定義為負(fù)載吸收的功率和傳輸線輸入功率之比，即 LoPP2201(1)2LLLPUZ 2200001(1)2PVZ 222201()2llLLUeeZ 5.8 傳輸功率與傳輸效率因此，傳輸效率為因此，傳輸效率為22221LLllOLPPee 1112()22chl

11、SshlS或或當(dāng)當(dāng)，有耗傳輸線的，有耗傳輸線的效率最大且為效率最大且為 le25.8 傳輸功率與傳輸效率l利用有耗線的損耗特性。l應(yīng)用之一，pi型或T型衰減網(wǎng)絡(luò)l網(wǎng)絡(luò)之間如果駐波很差，引起電路之間失配，能量傳輸效果差，對(duì)有源器件，特別是放大器自激。l利用有耗線理論，AB之間插入損耗網(wǎng)絡(luò)C，此時(shí)，發(fā)射系數(shù)減小，電路達(dá)到穩(wěn)定。l以功率損耗換取電路的穩(wěn)定性，比用隔離器簡(jiǎn)單，便宜。N1N2ABCR1R2R2ZcZcATT23456789110- 3. 4- 3. 2- 3. 0- 2. 8- 2. 6- 3. 6- 2. 4f req, G HzdB(S(1,1)dB(S(2,1)2345678911

12、05. 00000005. 00000005. 00000005. 00000005. 0000000f req, G HzVSW R123456789110-9-8-7-6-10-5f req, G H zdB(S(1, 1)dB(S(2, 1)234567891102. 00356592. 00356592. 00356592. 00356592. 0035659f req, G H zVSW R 1雖然傳輸?shù)哪芰繙p小了雖然傳輸?shù)哪芰繙p小了3dB，但是反射的能量卻減小了，但是反射的能量卻減小了6dB，VSWR明顯改善明顯改善l有耗線與無(wú)耗線之對(duì)比例題例題5.8-2已知的是負(fù)載條件去已知的是

13、負(fù)載條件去求，注意符號(hào)求，注意符號(hào)222loUseZ5.9均勻?qū)Рㄏ到y(tǒng)等效為均勻傳輸線均勻?qū)Рㄏ到y(tǒng)等效為均勻傳輸線 等效的依據(jù)和條件等效的依據(jù)和條件1、傳輸線電路理論、傳輸線電路理論TEM波波電壓和電流電壓和電流。2、把均勻到波系統(tǒng)等效為用電壓電流描述的傳輸線，必須把、把均勻到波系統(tǒng)等效為用電壓電流描述的傳輸線，必須把。3、TEM波波導(dǎo)（同軸，雙導(dǎo)線等）是雙導(dǎo)體系統(tǒng)，波波導(dǎo)（同軸，雙導(dǎo)線等）是雙導(dǎo)體系統(tǒng)，單值單值的電壓電流的的電壓電流的確存在確存在電場(chǎng)積分求電壓波，磁場(chǎng)積分得電流波（電場(chǎng)積分求電壓波，磁場(chǎng)積分得電流波（與積分路徑無(wú)與積分路徑無(wú)關(guān)關(guān)）進(jìn)而定義進(jìn)而定義特性阻抗（行波電壓特性阻抗（行

14、波電壓/行波電流）行波電流）4、對(duì)于傳播、對(duì)于傳播TE、TM波的波導(dǎo)系統(tǒng)波的波導(dǎo)系統(tǒng)不存在不存在TEM波傳輸線上那樣的波傳輸線上那樣的單單值值電壓波和電流波。電壓波和電流波。TM模，在壁面上，對(duì)橫向電場(chǎng)積分為零；對(duì)模，在壁面上，對(duì)橫向電場(chǎng)積分為零；對(duì)TE模，線積分與積分路徑有關(guān)（多值性）模，線積分與積分路徑有關(guān)（多值性）那么，不能等效？那么，不能等效？還是只能在一定條件下等效？還是只能在一定條件下等效？對(duì)一般導(dǎo)波系統(tǒng)而論，其電壓和電流只能在一一定條件下等效定條件下等效而得，而且只有形式上的意義。為利用傳輸線理論而人為引入的電壓和電流參數(shù)。 尋求定義等效電壓和等效電流及尋求定義等效電壓和等效電流

15、及阻抗的依據(jù)阻抗的依據(jù)l將將無(wú)耗單模導(dǎo)波系統(tǒng)無(wú)耗單模導(dǎo)波系統(tǒng)中中傳播的場(chǎng)傳播的場(chǎng)與與無(wú)耗均勻傳無(wú)耗均勻傳輸線輸線上的上的行波電壓和行波電流行波電壓和行波電流具有的特性做比具有的特性做比較。較。l由此可見(jiàn)，導(dǎo)波系統(tǒng)中的傳播模的橫向電場(chǎng)和橫向磁由此可見(jiàn)，導(dǎo)波系統(tǒng)中的傳播模的橫向電場(chǎng)和橫向磁場(chǎng)具有類似于均勻傳輸線上的電壓波和電流波的性質(zhì)。場(chǎng)具有類似于均勻傳輸線上的電壓波和電流波的性質(zhì)。*11ReRe22j zj zttttsctwtzEUeeHIPEH dsPUIUZ IEZ Ha 建立：矢量參數(shù)建立：矢量參數(shù)標(biāo)量參數(shù)的聯(lián)系標(biāo)量參數(shù)的聯(lián)系內(nèi)涵：功率的對(duì)應(yīng)關(guān)系，內(nèi)涵：功率的對(duì)應(yīng)關(guān)系，電場(chǎng)與磁場(chǎng)的幅度對(duì)

16、應(yīng)電場(chǎng)與磁場(chǎng)的幅度對(duì)應(yīng)關(guān)系。關(guān)系。由功率相等：由功率相等：阻抗關(guān)系阻抗關(guān)系 取值具有任意性，取值具有任意性，只要滿足功率條只要滿足功率條件即可件即可實(shí)用中的主要有兩種取法。實(shí)用中的主要有兩種取法。波導(dǎo)系統(tǒng)中的波導(dǎo)系統(tǒng)中的TE，TM模的等效參量模的等效參量lTE模l無(wú)耗導(dǎo)波系統(tǒng)中TE模的場(chǎng)分量的一般表達(dá)式為波導(dǎo)系統(tǒng)中的波導(dǎo)系統(tǒng)中的TE的等效參量的等效參量波導(dǎo)系統(tǒng)中的波導(dǎo)系統(tǒng)中的TM的等效參量的等效參量lTM模l無(wú)耗導(dǎo)波系統(tǒng)中TM模的場(chǎng)分量的一般表達(dá)式為波導(dǎo)系統(tǒng)中的波導(dǎo)系統(tǒng)中的TM的等效參量的等效參量波導(dǎo)系統(tǒng)中的波導(dǎo)系統(tǒng)中的TM的等效參量的等效參量以以TE10模為例：模為例：l取作為等效傳輸線的特

17、性阻抗l如果模式電壓?。═E10模的電場(chǎng)沿波導(dǎo)寬邊中心積分得到的）l則模式電流為10cTEbZZa0j zUE be1000j zj zcTEE bE aIeeZZ等效電壓波電流與電磁場(chǎng)的功率等效電壓波電流與電磁場(chǎng)的功率關(guān)系關(guān)系不相等不相等!怎么解決怎么解決?l為了保證路方法和場(chǎng)方法的功率相等為了保證路方法和場(chǎng)方法的功率相等l在選擇在選擇作為傳輸線等效特性阻抗作為傳輸線等效特性阻抗的時(shí)候，模式電壓和模式電流為的時(shí)候，模式電壓和模式電流為l這樣，一段工作在單模的均勻?qū)Рㄏ到y(tǒng)等效為一對(duì)均勻傳輸線這樣，一段工作在單模的均勻?qū)Рㄏ到y(tǒng)等效為一對(duì)均勻傳輸線的情況，可表示為的情況，可表示為10cTEbZZa

18、100022j zj zTEE beE aUIeZ或或特性阻抗的選取特性阻抗的選取具有任意性。具有任意性。模式電流模式電流驗(yàn)證模式電壓和模式電流滿足傳輸線方程驗(yàn)證模式電壓和模式電流滿足傳輸線方程 能不能把阻抗等效為能不能把阻抗等效為1 ，這時(shí)，是否沒(méi)有反射？這時(shí)，是否沒(méi)有反射？問(wèn)題：這樣等效之后，問(wèn)題：這樣等效之后，在參考面處的電壓波和在參考面處的電壓波和電流波就不連續(xù)了電流波就不連續(xù)了思考。思考。l能不能把阻抗等效為能不能把阻抗等效為1 ，這時(shí)，是否沒(méi)有反射？，這時(shí)，是否沒(méi)有反射？l_l兩段傳輸線的電壓電流的表達(dá)式變化了。兩段傳輸線的電壓電流的表達(dá)式變化了。l事實(shí)上可以這樣做，該方法稱為歸一化等效，在算兩事實(shí)上可以這樣做，該方法稱為歸一化等效，在算兩段不同的傳輸線的時(shí)候，就必須去歸一化。段不同的傳輸線的時(shí)候，就必須去歸一化。l一般，同一系統(tǒng)，最好采用同一種等效方法。一般，同一系統(tǒng)，最好采用同一種等效方法。思考：當(dāng)多個(gè)模