微波技術(shù)基礎(chǔ)電子科大第12次課.ppt

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：清水河校區(qū)科研樓B336 電話：61830860 電郵：,第三章總結(jié),微波集成傳輸線：定義 傳輸線的類型，支持的導(dǎo)波類型（微帶準TEM） 微波集成傳輸線的特點，優(yōu)點，應(yīng)用場合 分析方法：場（第二章（重點）與路（第五章（重點）的區(qū)別,集成傳輸線總結(jié),微波集成傳輸線分析方法,分析方法有兩類：解析方法和數(shù)值解法 目標，傳輸線的特性阻抗和傳播常數(shù)。 1、解析方法準靜態(tài)法 把主模當(dāng)成純TEM分析，通過計算結(jié)構(gòu)的靜電容得出結(jié)果。包括：保角變換、變分法、有限差分和積分方程。準靜態(tài)法在低頻情況下完全能滿足工程設(shè)計的需求。 2、數(shù)值方法全波分析法（麥

2、方程求解困難的時候） 考慮所有混合模式。積分方程方法，譜域法，以及時域有限差分法（FDTD） 等，有限元法等。 全波分析方法更嚴格，可精確計算出與頻率相關(guān)的參數(shù)。,第五章內(nèi)容,傳輸線定義？微波傳輸線形式？ 如何利用傳輸線理論的路導(dǎo)波理論的場聯(lián)系起來？ 微波系統(tǒng)的復(fù)雜性（模式多，場解復(fù)雜）等效電路法可以簡化設(shè)計過程。 研究對象從場解（E、H等）路相關(guān)的參量（U、I、L、C、R、G、Z0等） 分布參數(shù)與集中參數(shù)的區(qū)別？ 電報方程與端接條件？,第5章 傳輸線的電路理論,5.1 引言 傳輸線的實例包括：連接運營商和有線電視、有線電話之間的電纜或者光纖，連接發(fā)射機和天線之間的饋電線，人腦中的視神經(jīng)與神經(jīng)

3、網(wǎng)絡(luò)也是傳輸線。 傳輸線的實例還有很多，只要是能夠在兩點之間傳送能量或者信息的網(wǎng)絡(luò)或者結(jié)構(gòu)都可以作為傳輸線的實例被列舉出來。 微波傳輸線定義：連接激勵源和負載的網(wǎng)絡(luò)，用于把電磁能量或者電磁信息從一處傳送到另一處。,發(fā)電廠,用戶家中,交流電頻率 (f) is 50 Hz 波長 (l) is 5 106 m,高壓傳輸線,傳輸線的形式1,信號頻率 (f) 5 GHz 波長 (l) 6 cm,微帶線,帶狀線,傳輸線的形式2,選擇何種形式的傳輸線必須根據(jù)其應(yīng)用場合和目的，例如，用于傳輸兆瓦級電磁能量的高功率傳輸線必須具有高功率容量和低損耗特性，一般都非常笨重；然而，我們電腦中的CPU就很輕巧，并具有很高

4、的電路布線密度，里面的微細互聯(lián)線就必須要精確設(shè)計才能滿足傳輸電磁信息的需求。在電子工程的應(yīng)用中，傳輸線的選擇決定于很多因素，例如工作頻率、功率容量、損耗和電路拓撲等等。,我們研究的傳輸線是微波傳輸線 嚴格來講：傳輸理論源于（準） TEM波的導(dǎo)波系統(tǒng)的研究 這是第五章內(nèi)容的前提。 廣義傳輸線：TE，TM怎么等效，多模混合又如何等效？,一般微波傳輸線的要求：,能量損耗小，工作頻帶寬，功率容量大，傳輸效率高，尺寸小和成本低。 例如，微波頻段用得較多的傳輸線形式是同軸線、矩形波導(dǎo)、圓波導(dǎo)、帶狀線和微帶線。在實際工程應(yīng)用中，從傳輸性能上考慮，工作在米波和分米波的低頻段范圍內(nèi)，可采用雙導(dǎo)線或同軸線；在厘米

5、波段可采用空心金屬波導(dǎo)管、帶狀線、同軸線和微帶線等；在毫米波范圍內(nèi)可采用空心金屬波導(dǎo)管、同軸線、介質(zhì)波導(dǎo)、介質(zhì)鏡像線和微帶線；在光波段范圍采用光纖。,研究傳輸線的目的微波電路與系統(tǒng)的分析方法：場解法和微波等效路法。,場解法根據(jù)邊界和初始條件求電磁場波動方程的解，得出電磁場隨時間和空間的變化規(guī)律； 微波等效電路法利用分布參數(shù)電路的理論（傳輸線的電路模型）來分析電壓波（對應(yīng)電場）和電流波（對應(yīng)磁場）隨時間和空間的變化規(guī)律。,兩種分析方法的對比 場解法分析問題具有普遍性, 結(jié)構(gòu)簡單的元件，分析起來也是相當(dāng)繁瑣，復(fù)雜結(jié)構(gòu)的元件就更難以進行。 為了尋求分析復(fù)雜微波系統(tǒng)傳輸特性的簡單方法，工程上發(fā)展了微波

6、等效電路法簡單但是足夠精確。 微波等效電路法又稱傳輸線電路理論，亦稱分布參 數(shù)電路理論，將電磁場的問題，在一定條件下化為電 路的問題來求解，即 “化場為路”，使問題得以簡化。,第5章 傳輸線的電路理論,傳輸線電路理論是微波電路設(shè)計和微波網(wǎng)絡(luò)理論的基礎(chǔ)。,微波等效電路的具體做法是,實際的微波系統(tǒng)都是均勻?qū)Рㄏ到y(tǒng)和不均勻區(qū)構(gòu)成。 1、根據(jù)均勻?qū)Рㄏ到y(tǒng)是引導(dǎo)電磁波的作用而將其等效為具有分布參數(shù)的均勻傳輸線。 2、根據(jù)不均勻性（依據(jù)高次模不傳播，局域存在，虛功），一般是儲能與耗能而把它們等效為集總參數(shù)網(wǎng)絡(luò)，不同結(jié)構(gòu)的不均勻性等效為不同結(jié)構(gòu)和不同性質(zhì)的網(wǎng)絡(luò)。 3、確定均勻?qū)Рㄏ到y(tǒng)與不均勻區(qū)的分界面。,5

7、.2 分布參數(shù)的概念,分布參數(shù)電路是相對于集總參數(shù)電路而言的，集中參數(shù)電路和分布參數(shù)電路的分界線可以認為是l/0.05。 分布參數(shù)電路與集總參數(shù)電路的區(qū)別,分布參數(shù)電路與集總參數(shù)電路的區(qū)別,集總參數(shù)電路: 在頻率很低時，電路的物理尺寸遠小于工作波長。這個條件暗示了當(dāng)負載通過一段傳輸線接在激勵源后時，電壓會瞬時出現(xiàn)在負載上而不存在時延，同時，也暗示了集總參數(shù)的器件，如，電感、電容和電阻的尺寸也都遠小于工作波長，我們可以推斷出在元器件兩側(cè)的電壓沒有相位差。整個電路的電能集中在電容器里，磁能集中在電感線圈里，損耗集中在電阻上，電路和元器件的體積和相對距離在低頻電路里從來就不予考慮。,低頻的集總參數(shù)帶

8、通濾波器，關(guān)心每一個元器件的值，與傳輸線無關(guān)。,分布參數(shù)電路與集總參數(shù)電路的區(qū)別,分布參數(shù)電路：當(dāng)元器件的尺寸與波長可比擬時，電磁場（幅度相位）不僅隨時間變化，而且同時隨空間位置變化，電磁波在電路中傳輸?shù)臏笮?yīng)顯著。傳輸線就不能再簡單的認為只是電路上兩點之間的連接方式，而應(yīng)該等效為具有分布參數(shù)的電路網(wǎng)絡(luò)，線上各點的電位不同，處處有儲能和損耗，導(dǎo)體上存在有損耗電阻、電感，導(dǎo)體間存在分布電容和漏電導(dǎo)。在設(shè)計時必須把傳輸線作為電路的一部分來考慮。,電路尺度與工作波長的關(guān)系決定了是分布還是集中,When does a Tline become a T-Line?,Whether it is a bu

9、mp or a mountain depends on the ratio of its size (tline) to the size of the vehicle (signal wavelength),Similarly, whether or not a line is to be considered as a transmission line depends on the ratio of length of the line (delay) to the wavelength of the applied frequency or the rise/fall edge of

10、the signal,毫米波頻段的分布參數(shù)帶通濾波器，關(guān)心每段傳輸線的尺寸，傳輸線構(gòu)成了一定的功能電路，實現(xiàn)元器件。,分布參數(shù)電路1,94GHz單平衡混頻器。在高頻傳輸線替代低頻的集總元件，可實現(xiàn)電路元件功能。,分布參數(shù)電路2,回顧傳播模式和等效的前提,傳輸線上的電磁場分布和電磁場的相互作用決定于傳輸線的幾何結(jié)構(gòu)，通常由傳輸線所支持的傳輸模式來表征。圖1中所示的8種常見的傳輸線可以分為三類。雙導(dǎo)線、同軸線和帶狀線支持TEM模。微帶線和共面波導(dǎo)是微波毫米波電路中常見的平面?zhèn)鬏斁€，支持的是準TEM模，矩形波導(dǎo)和元波導(dǎo)以及槽線支持非TEM模。,由于準TEM與TEM的電磁場分布極為相似，在分析時，一般

11、將這兩種傳輸線歸為一類，用TEM傳輸線的方法進行分析。 TEM模的一個重要特性就是電磁場垂直于傳播方向，場分布與靜場相同，電壓、電流和特性阻抗可以由電磁場唯一確定。另外，傳輸線參數(shù)，如，單位長度的電感和電容等也可以由電磁場唯一定義，這樣，傳輸線理論就把集總參數(shù)電路理論用來解決一般的電磁場問題（化場為路）。 最后，矩形波導(dǎo)，圓波導(dǎo)和槽線支持的是非TEM模，單導(dǎo)體系統(tǒng)也無法確定對應(yīng)電壓波和電流波。在這次課，我們只研究TEM模傳輸線的分布參數(shù)電路理論，對于波導(dǎo)系統(tǒng)的分布參數(shù)理論在以后的課程中介紹。,5.3 傳輸線方程及其解,為了建立嚴格的電磁場分析和電路理論的聯(lián)系，建立了傳輸線的分布參數(shù)電路模型，傳

12、輸線理論由此發(fā)展起來。單值電壓波電流波去替代電磁場作為研究對象。 TEM波傳輸線等效電路模型為,思考：雙實線代表的涵義- 電路上的等效,可認為是同軸，雙導(dǎo)線，帶狀線微帶線等（不準確的）。 準確的講，是一種導(dǎo)波系統(tǒng)，還包括單導(dǎo)體傳輸線，金屬矩形波導(dǎo)，介質(zhì)波導(dǎo)等。用雙實線，是為了便于用路的觀點（傳輸線分布參數(shù)理論）來分析導(dǎo)波系統(tǒng)。 關(guān)心的是任意參考面處的電路參數(shù)，不再考慮場的問題。,具體做法就是：將電氣上的大長尺寸分成無數(shù)個電氣上的短尺寸來研究。取傳輸線，在線上任意點z處取線元dz來研究，dz可以足夠短（遠小于工作波長），這樣，傳輸線上的分布參數(shù)效應(yīng)可用串聯(lián)阻抗Z1dz和并聯(lián)導(dǎo)納Y1dz的集總參數(shù)

13、電路來等效，如圖5.3-2所示。,由于波長與電路尺寸可比擬，故電壓電流處處不同,傳輸線的參量,每個單元均可由L1，C1，G1，R1四個參數(shù)來決定。 L1表示導(dǎo)體的自感，與單位長度傳輸線內(nèi)存儲的磁能時均值相關(guān)。 C1表示導(dǎo)體之間的電容耦合，決定于導(dǎo)體的接近程度，與單位長度傳輸線內(nèi)存儲的電能時均值相關(guān)。 G1表示由介質(zhì)引起的單位長度的傳輸線上的功率耗散的時均值。 R1表示由金屬的有限導(dǎo)電率引起的傳輸線上的功率損耗的時均值。 G1，R1表示的是傳輸線的衰減（損耗）參量。,由于我們這里研究的是TEM模，TEM模的一個重要特性就是電磁場垂直于傳播方向，場分布與靜場相同，電壓、電流和特性阻抗可以由電磁場唯

14、一確定。另外，傳輸線參數(shù)，如，單位長度的電感和電容等也可以由電磁場唯一定義，因此，電感L1、電容C1、電抗G1可以利用準靜態(tài)法求解求解傳輸線橫截面上的二維拉普拉斯方程得出。而電阻R1可由導(dǎo)體內(nèi)部的電磁場分布得到。 這樣，傳輸線理論就把集總參數(shù)電路理論用來解決一般的電磁場問題（化場為路）。,求解方法靜電場法或場解法 這就是為什么第三章中，微帶，帶狀線沒有求電磁場，而直接算特性阻抗的原因,對于均勻傳輸線，介電常數(shù)，磁導(dǎo)率，損耗角正切為tg。S表示積分面，C1，C2表示積分路徑，Rs為導(dǎo)體的表面電阻率。,dz足夠短（dzl）, dz上的分布參數(shù)效應(yīng)可用串聯(lián)阻抗 Z1dz和并聯(lián)導(dǎo)納Y1dz的集總參數(shù)電

15、路來等效。 時諧均勻傳輸線，省去時間因子 根據(jù)基爾和夫定理得出 （電報方程）,第5章 傳輸線的電路理論,電壓變化由串聯(lián)阻抗造成 電流變化由并聯(lián)導(dǎo)納造成,由電報方程可推得 （傳輸線電壓、電流波動方程 ） 二階常系數(shù)微分方程，其解為：,電壓、電流波的傳播常數(shù)，決定于分布電路參數(shù)和工作頻率,上面的方程有四個未知量A1，B1，A2，B2，但是利用歐姆定律I（Z）的表達式又可寫為：,第5章 傳輸線的電路理論,其中 這樣待定系數(shù)只剩下了A1，B1；A1、B1決定于傳輸線 的端接條件 。 通常端接條件有三種： （1）已知終端電壓UL和電流IL； （2）已知始端電壓Us和電流Is； （3）已知激勵源的電動勢Es、內(nèi)阻抗Zs和負載阻抗ZL。 常見情況是第1種：,第5章 傳輸線的電路理論,坐標z的起點選擇在負載端即z=0 ，有： 此式就是已知傳輸線終端電壓、電流時，線上任意一點 的電壓、電流解。,第5章 傳輸線的電路理論,其解表明： 傳輸線的電壓、電流由一列向負載方向傳輸波， 即入射波，隨z增大而增大。 一列向波源傳播的波，即反射波