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《微波技术与天线》第3章报告
第三章 微波集成传输线 各种微波集成传输系统,归纳起来可以分为四大类 本章内容 3.1 微带传输线 1.带状线(strip line) 带状线是由同轴线演化而来的,即将同轴线的外导体对半分 开后,再将两半外导体向左右展平,并将内导体制成扁平带线。 从其电场分布结构可见其演化特性。显然带状线仍可理解为与同 轴线一样的对称双导体传输线,传输的主模是TEM模。也存在高 次TE和TM模。 传输特性参量主要有:特性阻抗、衰减常数、相速和波导波长。 (1)特性阻抗(characteristic impedance) 由于带状线上传输主模为TEM模,因此可以用准静态的 分析方法求得单位长分布电容C和分布电感L,从而有: (a)导带厚度为零时的特性阻抗计算公式 带状线特性阻抗与w/b及t/b的关系曲线 2. 微带线(microstrip line) 2)导带厚度不为零时的空气微带的特性阻抗Z0a及有效介电常数?e 微带特性阻抗与w/h的关系 已知微带线的特性阻抗Z0及介质的相对介电常数?r来求w/h对于窄导带(也就是当Z0 44–2?r ?),则 其中, 耦合微带线,它是由两根平行放置、彼此靠得很近的微带线所构成。耦合微带线可用来设计各种定向耦合器、滤波器、平衡与不平衡变换器等。耦合微带线和微带线一样是部分填充介质的不均匀结构,因此其上传输不是纯TEM模,而是具有色散特性的混合模,故分析较为复杂。一般采用准TEM模的奇偶模法进行分析。 结论 对空气耦合微带线,奇偶模的特性阻抗虽然随耦合状况而变,但两者的乘积等于考虑另一根耦合线存在时的单线特性阻抗的平方。 当耦合越紧,奇偶模的特性阻抗相差越大;耦合越松,奇偶模的特性阻抗差值就越小,当耦合很弱时,此时奇偶特性阻抗相当接近且趋于孤立单线的特性阻抗。 当工作频率处于毫米波(millimeter wave)波段时,普通的微带线出现了一系列的问题,首要问题是高次模(high mode)的出现,给微带的设计和使用带来了许多复杂性。人们自然又想到用波导来传输信号,频率越高使用波导的尺寸越小,可是频率太高了,要制造出相应尺寸的金属波导变得十分困难。于是人们积极研制适合于毫米波波段的传输器件,其中各种形式的介质波导在毫米波波段得到了广泛应用。 波导 (waveguide) 用来约束或引导电磁波的结构。通常,波导专指各种形状的空心金属波导管和表面波波导(介质波导),前者将被传输的电磁波完全限制在金属管内,又称封闭波导;后者将引导的电磁波约束在波导结构的周围,又称开波导。 当无线电波频率提高到3000兆赫至 300吉赫的厘米波波段和毫米波波段时,同轴线的使用受到限制而采用金属波导管或其他导波装置。波导管的优点是导体损耗和介质损耗小;功率容量大;没有辐射损耗;结构简单,易于制造。波导管内的电磁场可由麦克斯韦方程组结合波导的边界条件求解,与普通传输线不同,波导管里不能传输 TEM模,电磁波在传播中存在严重的色散现象,色散现象说明电磁波的传播速度与频率有关。表面波波导的特征是在边界外有电磁场存在 。其传播模式为表面波。 在毫米波与亚毫米波波段,因金属波导管的尺寸太小而使损耗加大和制造困难。这时使用介质波导,除具有良好传输性外,主要优点是结构简单,制作容易,可具有集成电路需要的平面结构。 场特征:介质波导边界内外都有电磁场存在,需要全空间求解,能量主要约束在介质波导的周围。 表面波特点:电磁场沿两个媒质分界面法线方向按指数衰减,一般来说,它是一种慢波,它沿波导结构传播的速度小于光速。 介质波导(dielectric waveguide)分为两大类:一类是开放式介质波导主要包括圆形介质波导和介质镜像线等,另一类是半开放介质波导主要包括H形波导、G形波导等。 设圆形介质波导半径为a,相对介电常数为?r(?r=1)。分析表明圆形介质波导不存在纯TEmn和TMmn模,但存在TE0n和TM0n模,一般情况下为混合模HEmn和EHmn模。 光纤(optical fiber)又名光导纤维,它是在圆形介质波导的基础上发展起来的导光传输系统。 按组成材料可分为石英玻璃光纤、多组分玻璃光纤、塑料包层玻璃芯光纤和全塑料光纤。其中,石英玻璃光纤损耗最小,最适合长距离、大容量通信。 按折射率分布形状可分为阶跃型光纤和渐变型光纤。 按传输模式可分为多模光纤和单模光纤。 1.单模光纤和多模光纤 为避免高次模的出现(???cTM01),单模光纤的直径D必须满足以下条件: 描述光纤的基本参数除了光纤的直径外,还有光导波长?g、光纤芯与包层的相对折射率差? 、折射率分布因子g以及数值孔径NA。 (2)相对折射率差? (relativ
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