電信傳輸原理及應(yīng)用第三章 微波傳輸線 2.ppt

1、3.4 同軸線及其高次模,TEM為主模:,用圓柱坐標(biāo)系:,其中：,式中E0是電場的振幅，是TEM波的波阻抗。,主模參量,相移常數(shù),相速度,波長,同軸線中波的相速度與相應(yīng)介質(zhì)中波的傳播速度相同，其波長與相應(yīng)介質(zhì)中的波長相同,主模參量,導(dǎo)體衰減（空氣同軸線）,同軸線傳輸TEM模時(shí)的功率容量為：,主模參量,設(shè)同軸線內(nèi)、外導(dǎo)體之間的電壓為U(z)，內(nèi)導(dǎo)體上的軸向電流為I(z)， 則,由特性阻抗的定義可知其特性阻抗Z0為,同軸線高次模1,1. TM modes,對于同軸線內(nèi)的TE或TM高階模來說，其截止波數(shù)kc所滿足的方程都是超越方程，嚴(yán)格求解是很困難的，一般采用近似的方法得到其截止波長的近似表達(dá)式。,

2、邊界條件要求r=a，b處，Ez=0，即,同軸線高次模2,上面即同軸線TE模的特征方程,2. TE modes,（m=0，n=1 ）,（m=1，n=1）,同軸線高次模3,（n=1）,保證同軸線中單模(TEM)傳輸 為了保證在同軸線中只傳輸TEM波，其工作波長與同軸線尺寸的關(guān)系應(yīng)滿足,同軸線尺寸的選擇,獲得最小的導(dǎo)體損耗衰減,相應(yīng)的空氣同軸線的特性阻抗為76.7歐姆,獲得最大的功率容量,相應(yīng)的空氣同軸線的特性阻抗為30歐姆,同時(shí)要求衰減和最大功率容量，一般取,相應(yīng)的空氣同軸線的特性阻抗為50歐姆,例題：空氣同軸線的尺寸為a1cm、b4cm。 計(jì)算前三種高次模的截止波長。 為保證只傳輸TEM模，工作

3、頻率最多為多少？,3.5 帶狀線,前面介紹了規(guī)則金屬波導(dǎo)傳輸系統(tǒng)的傳輸原理及特性, 這類傳輸系統(tǒng)具有損耗小、結(jié)構(gòu)牢固、功率容量高及電磁波限定在導(dǎo)管內(nèi)等優(yōu)點(diǎn), 其缺點(diǎn)是比較笨重、高頻下批量成本高、 頻帶較窄等。 隨著航空、航天事業(yè)發(fā)展的需要, 對微波設(shè)備提出了體積要小、重量要輕、 可靠性要高、性能要優(yōu)越、一致性要好、 成本要低等要求, 這就促成了微波技術(shù)與半導(dǎo)體器件及集成電路的結(jié)合, 產(chǎn)生了微波集成電路。 對微波集成傳輸元件的基本要求之一就是它必須具有平面型結(jié)構(gòu), 這樣可以通過調(diào)整單一平面尺寸來控制其傳輸特性, 從而實(shí)現(xiàn)微波電路的集成化。,3.5 微 帶 傳 輸 線,微帶傳輸線的基本結(jié)構(gòu)有兩種形

4、式: 帶狀線和微帶線。 帶狀線是由同軸線演化而來的,即將同軸線的外導(dǎo)體對半分開后, 再將兩半外導(dǎo)體向左右展平, 并將內(nèi)導(dǎo)體制成扁平帶線。圖 3 - 2 給出了帶狀線的演化過程及結(jié)構(gòu), 從其電場分布結(jié)構(gòu)可見其演化特性。顯然, 帶狀線仍可理解為與同軸線一樣的對稱雙導(dǎo)體傳輸線, 主要傳輸?shù)氖荰EM波。 微帶線是由沉積在介質(zhì)基片上的金屬導(dǎo)體帶和接地板構(gòu)成的一個(gè)特殊傳輸系統(tǒng), 它可以看成由雙導(dǎo)體傳輸線演化而來, 即將無限薄的導(dǎo)體板垂直插入雙導(dǎo)體中間,圖 3 2 帶狀線的演化過程及結(jié)構(gòu),因?yàn)閷?dǎo)體板和所有電力線垂直, 所以不影響原來的場分布, 再將導(dǎo)體圓柱變換成導(dǎo)體帶, 并在導(dǎo)體帶之間加入介質(zhì)材料, 從而構(gòu)

5、成了微帶線。 微帶線的演化過程及結(jié)構(gòu)如圖 3 - 3 所示。 下面分別討論帶狀線、 微帶線以及耦合微帶線的傳輸特性。 1. 帶狀線 帶狀線又稱三板線, 它由兩塊相距為b的接地板與中間寬度為w、 厚度為t的矩形截面導(dǎo)體構(gòu)成, 接地板之間填充均勻介質(zhì)或空氣, 如圖 3 - 2（c）所示。 由前面分析可知, 由于帶狀線由同軸線演化而來, 因此與同軸線具有相似的特性, 這主要體現(xiàn)在其傳輸主模也為TEM, 也存在高次TE和TM模。帶狀線的傳輸特性參量主要有:,圖 3 3 微帶線的演化過程及結(jié)構(gòu),特性阻抗Z0、衰減常數(shù)、相速vp和波導(dǎo)波長g。 1) 特性阻抗Z0由于帶狀線上的傳輸主模為TEM模, 因此可以

6、用準(zhǔn)靜態(tài)的分析方法求得單位長分布電容C和分布電感L, 從而有 Z0= 式中,相速vp= (c為自由空間中的光速)。 由式（3 - 1 - 1）可知, 只要求出帶狀線的單位長分布電容C, 則就可求得其特性阻抗。,求解分布電容的方法很多, 但常用的是等效電容法和保角變換法。由于計(jì)算結(jié)果中包含了橢圓函數(shù)而且對有厚度的情形還需修正, 故不便于工程應(yīng)用。 在這里給出了一組比較實(shí)用的公式, 這組公式分為導(dǎo)帶厚度為零和導(dǎo)帶厚度不為零兩種情況。 (1) 導(dǎo)帶厚度為零時(shí)的特性阻抗計(jì)算公式,式中, we是中心導(dǎo)帶的有效寬度, 由下式給出:,0 w/b0.35 （0.35-W/b)2 w/b0.35,(2) 導(dǎo)帶厚

7、度不為零時(shí)的特性阻抗計(jì)算公式,式中：,而,式中， t為導(dǎo)帶厚度。 對上述公式用MATLAB編制計(jì)算帶狀線特性阻抗的計(jì)算程序, 計(jì)算結(jié)果如圖 3 - 4 所示。由圖可見, 帶狀線特性阻抗隨著w/b的增大而減小, 而且也隨著t/b的增大而減小。 2) 帶狀線的衰減常數(shù) 帶狀線的損耗包括由中心導(dǎo)帶和接地板導(dǎo)體引起的導(dǎo)體損耗、兩接地板間填充的介質(zhì)損耗及輻射損耗。,圖 3 4 帶狀線特性阻抗隨形狀參數(shù)w/b的變化曲線,由于帶狀線接地板通常比中心導(dǎo)帶大得多, 因此帶狀線的輻射損耗可忽略不計(jì)。所以帶狀線的衰減主要由導(dǎo)體損耗和介質(zhì)損耗引起, 即 =c+d 式中, 為帶狀線總的衰減常數(shù)；c為導(dǎo)體衰減常數(shù)； d為介質(zhì)衰減常數(shù)。 介質(zhì)衰減常數(shù)由以下公式給出:,式中, G為帶狀線單位長漏電導(dǎo)，tan為介質(zhì)材料的損耗角正切。 ,式中, G為帶狀線單位長漏電導(dǎo)，tan為介質(zhì)材料的損耗角正切。 導(dǎo)體衰減通常由以下公式給出（單位Np/m）: ,ac=,其中:,而RS為導(dǎo)體的表面電阻。 3） 相速和波導(dǎo)波長 由于帶狀線傳輸?shù)闹髂門EM模, 故其相速為 ,而波導(dǎo)波長為,式中, 0為自由空間波長；c為自由空間光速。 4） 帶狀線的尺寸選擇,帶狀線傳輸?shù)闹髂Ｊ荰EM模, 但若尺寸選擇不合理也會(huì)引起高次模TE模和TM模。在TE模中最低次模是TE10模, 其截止波長為,在TM模中最低次模是TM10模, 其截止波長