第3章 微波传输线.ppt

第二级,第三级,第四级,第五级,第,3,章 微波传输线,第,3,章 微波传输线,31,引言,32,带状线,33,微带传输线,34,耦合带状线和耦合微带线,35,金属波导传输线的一般理论,36,矩形波导,37,圆波导,31,引言,微波传输线：,用来传输微波信号和微波能量的传输线微波传输线可,分为三类,:,1.TEM,模传输线,(,包括准,TEM,模传输线）,2.TE,模和,TM,模传输线,3.,表面波传输线,其传输模式一般为混合模,图,311,TEM,模传输线,TE,模和,TM,模传输线,表面波传输线,准,TEM,模,介质波导,介质镜像线,平行双线用于传输低频微波能量和信号,;,当频率提高到其波长和两根导线间的距离可以相比时,电磁能量会通过导线向空间辐射出去,损耗随之增加,频率愈高,损耗愈大,因此在微波的高频段,平行双线不能用,来作为传输线平行双线,典型的平行双线：,连接天线和电视机的扁平馈线,计算机的,USB,延长线,电源线,固定线,同轴线传输线所传输的电磁波频率范围较平行双线高,适用于厘米波段，,是目前常用的微波传输线若频率继续提高,同轴线的,横截面尺寸必须相应减小,才能保证它只传输,TEM,模,这样会导致同轴线的导体损耗增加,传输功率容量降低。

因此同,轴线又不能传输更高频率的电磁波,一般只适用于厘米波段同轴线,典型的应用：,有限电视网,卫星地面接收站,高速局域网,矩形波导,波导（空心金属管）当横截面尺寸与工作波长满足一定关系时，可以传输电磁波是微波波段常用的传输线在低频段不采用波导来传输能量，否则尺寸太大，重量太重,圆波导,缺点：频带窄 采用脊波导加宽频带,电子产品的发展方向,“,小”,优点：体积小，重量轻，频带宽,缺点：损耗大，功率容量小,主要用于小功率的微波系统,微 带,带状线可以看做三层微带传输线,带状线,32,带状线,带状线由一条厚度为,t,宽度为,W,的矩形截面,的中心导带和上、,下两块接地板构成两接地板的距离为,b,中心导带的周围媒质可以是空气,也可以是其它介质带状线中传输的,主模为,TEM,模,带状线,一、特性阻抗,TEM,模传输线特性阻抗的计算公式为,(321),式中,L,1,和,C,1,分别为带状线单位长度上的分布电感和分布电容,;,v,p,为带状线中,TEM,模的传播速度零厚度中心导带带状线特性阻抗的精确公式：,(322),式中,：,为第一类完全椭圆积分,为第一类余全椭圆积分,为模数,为余模数,图,322,结论：,尺寸,w/b,，,t/b,越大，特性阻抗,Z,0,越低,中心导带周围介质的介电常数越大，特性阻抗,Z,0,越低,二、带状线尺寸的设计考虑,1.,带状线,的尺寸必须满足关系式：,(323),带状线中才能保证只传输,TEM,模,式中,min,为最短工作波长。

2.,接地板宽度,D,和接地板间距,b,必须满足：,(324),33,微带传输线,介质基片的一边为中心导带,另,一边为接地板,其基片厚度为,h,中心导带的宽度为,w,制作工艺：先将基片,(,最常用的是氧化铝,),研磨、抛光和清洗,然后放在真空镀膜机中形成一层铬,-,金层,再利用光刻技术制成所需要的电路,最后采用电镀的办法加厚金属层的厚度,并装接上所需要的有源器件和其它元件,形成微带电路一、微带线中的主模,对于空气介质的微带线,周围是均匀的空气,因此它可以存在无色散的,TEM,模实际的微带线是制作在介质基片上的,由于存在空气和介质的分界面,只能存在,TE,模和,TM,模的混合模在微波波段的低频端由于场的色散现象很,弱,传输模式类似于,TEM,模,故称为,准,TEM,模,二、微带线的特性阻抗,在微波波段微带线工作在弱色散区,因此把微带线的工作模式当作,TEM,模来,分析,这种方法称为“准静态分析法”由前面分析知道,TEM,模传输线的特性阻抗的计算公式为,(331),对于图,332(a),所示的空气微带线,微带线中传输,TEM,模的相速度,v,p,=v,0,(,光速,),并假设它的单位长度上电容为,C,01,则其特性,阻抗为,(332),空气微带线,全部用介质填充,实际微带线,等效微带线,等效介电常数,微带线中波的相波长为,(333),微带线中单位长度的电容为,(334),(335),故微带线的特性阻抗为,等效微带线中波的相速度为,(337),式中,q,为填充因子,表示介质填充的程度。

当,q=0,则,re,=1,表示无介质填充,;,当,q=1,则,re,=,r,表示全部介质填充可以证明,q,值主要决定,w/h,值,而与,r,关系不大,其计算公式为,(338),应用保角变换方法确定空气微带线的电容,C,01,和实际微带线的电容,C,1,两者比值的倒数为,相对等效介电常数,即,右图为空气微带线特性阻抗,Z,01,及填充因子,q,和微带线,w/h,的关系曲线实际微带线的特性阻抗可以应用逼近法直接查图,333,求得,也可以查实际微带线特性阻抗,Z,0,和,r,、,w/h,的关系曲线或表格,这些曲线和表格在微波工程手册中均可查得表,331,微带线特性阻抗,Z,0,和相对等效介电常数与尺寸的关系,氧化铝陶瓷介质作为介质基片,三,微带线的色散特性和尺寸设计考虑,;,(,一,),微带线的色散特性,当频率比较高时,微带线中的传输模式不是,TEM,模,而是混合模微带线中的电磁波出现色散现象,但当频率,f,低于某一个临界值,f,0,时,微带线的色散可以不予考虑,其,临界频率,f,0,为,：,(339),(,二,),微带尺寸设计考虑,当工作频率提高时,微带线中除了传输,TEM,模以外,还会出现高次模。

据分析,当微带线的尺寸,w,和,h,给定时,最短工作波长只要满足,就可保证微带线中只传输,TEM,模,(3310),34,耦合带状线和耦合微带线,当两对传输线互相靠近时,彼此会产生电磁耦合,这种传输线称为耦合传输线,耦合带状线,耦合微带线,对于耦合传输线的分析,通常,采用,奇偶模参量法,进行分析,.,奇偶模参量法,(,叠加原理,),:,激励电压,分解成一对等幅反相的,奇模电压,和一对等幅同相的,偶模电压,激励电压,奇模电压,偶模电压,在一般情况下,U,2,=0,故,耦合带状线,奇模激励下的奇模场型,其对称面为电壁,偶模激励下的偶模场型,其对称面为磁壁,联想两个正电荷，一正一负电荷之间的电场线,由于奇、偶模的场分布不同,故单位长度上对地的奇、偶模电容不同,分别用,C,0o,和,C,0e,来表示根据传输线理论很容易写出耦合带状线的,奇、偶模特性阻抗分别为,(343),(344),v,po,和,v,pe,分别表示奇、偶模的相速度对于耦合带状,线,由于周围介质是均匀的,因此奇、偶模速度相等,即,(345),奇、偶模的相波长为,(346),图,345,和,346,分别表示耦合带状线的奇、偶模阻抗,Z,0o,、,Z,0e,与耦合带状线尺寸,s/b,、,w/b,的列线图。

图中,s,为耦合带状线中心导带间的间距,b,为两接地板间的距离,w,为中心导带的宽度由图可根据已知的,Z,0o,、,Z,0e,很方便求得,s/b,和,w/b,图,345,图,346,耦合微带线,奇模激励下的奇模场型,其对称面为电壁,偶模激励下的偶模场型,其对称面为磁壁,耦合微带线周围介质是非均匀的,引进奇、偶相对等效介电常数分别为,reo,、,ree,利用准静态方法可求得相对介电常数分别为,1(,空气,),和,r,(,介质基片,),的耦合微带线中每条导带单位长度上对地的奇、偶模电容,C,0o,(1),、,C,0e,(1),和,C,0o,(,r,),、,C,0e,(,r,),则耦合微带线的奇、偶模,等效介电常数,分别为,(347),(348),耦合微带线的奇、偶模相速度和相波长分别为,(349),(3410),(3411),(3412),奇模相速度,:,偶模相速度,:,奇模相波长,:,偶模相波长,:,图,347,耦合微带线的奇、偶模特性阻抗,Z,0o,、,Z,0e,与耦合微带线尺寸,w/h,和,s/h,的关系曲线,(,r,=9),图,348,耦合微带线的奇、偶特性阻抗,Z0o,和,Z0e,与耦合微带线尺寸,w/h,和,s/h,的另一组曲线,(,r,=10),。