第1章_传输线理论和阻抗匹配案例.ppt

第一章 传输线理论和阻抗匹配 1.1 传输线的构成 1.2 传输线等效电路表示法 1.3 传输线方程及其解 1.4 传输线的基本特性参数 1.5 均匀无耗传输线的工作状态 1.6 信号源的功率传输和有载传输 1.7 阻抗和导纳（SMITH）圆图 1.8 阻抗匹配与调谐 1.9 有耗传输线 传输线是用以从一处至另一处传输电磁能量的装置。 传输线理论是分布参数电路理论，它在场分析和基本电路理论之间架起了桥梁。 随着工作频率的升高，波长不断减小，当波长可以与电路的几何尺寸相比拟时，传输线上的电压和电流将随空间位置而变化，使电压和电流呈现出波动性，这一点与低频电路完全不同。 传输线理论用来分析传输线上电压和电流的分布，以及传输线上阻抗的变化规律。在射频频段，基尔霍夫定律不再适用，必须使用传输线理论取代低频电路理论。 本章主要从路的观点出发，以平行双导线为例阐述传输线理论。 传输线的构成 传输线主要从两方面考虑其构成： 一是从电性能方面考虑，有传输模式、色散、工作频带、功率容量、损耗等几个指标； 二是从机械性能方面考虑，有尺寸、制作难易度、集成难易度等几个指标。 1. 传输线的电性能 从传输模式上看，传输线上传输的电磁波分三种类型： 常用的TEM波传输线有平行双导线、同轴线、带状线和微带线（传输准TEM波）等，属于双（多）导体传输线，如图所示。 常用的TE波、TM波传输线，属于单导体传输线，如：金属波导、介质波导。 (1)金属波导： 矩形波导 圆波导 脊波导 椭圆波导 (1)射频电路的传输线上只传输TEM波或准TEM波。特点： TEM传输线无色散。（色散：电磁波的传输速率与频率有关）。 TEM传输线的工作频带较宽，0~几GHz。 TEM传输线的功率容量和损耗应能满足射频设计要求。 但TEM传输线高频能量损耗大。 (2)微波电路的传输线上还传输TE波、TM波，以及TE/TM混合波，使用波导。特点： TE或TM传输线高频能量损耗小，功率容量大，但体积大，频带窄。 2. 传输线的机械性能 传输线的机械性能包括物理尺寸、制作难易度、与其他元器件相集成的难易度等指标。 出于上述机械性能的考虑，传输线有平面化趋势。 1. 平行双导线 2. 同轴线 3. 带状线和微带线 1.2 传输线等效电路表示法 1.2.1 长线 传输线理论是长线理论。传输线是长线还是短线，取决于传输线的电长度而不是它的几何长度。 电长度定义为传输线的几何长度l与其上工作波长λ的比值。当传输线的几何长度l比其上所传输信号的工作波长λ还长或者可以相比拟时，传输线称为长线；反之则可称为短线。 长线和短线是相对的概念，在射频电路中，传输线的几何长度有时只不过几厘米，但因为这个长度已经大于工作波长或与工作波长差不多，仍称它为长线；相反地，输送市电的电力线，即使几何长度为几千米，但与市电的波长（6000km）相比，还是小许多，所以还是只能看作是短线。 电路理论与传输线理论的区别，主要在于电路尺寸与波长的关系。电路分析中网络与线路的尺寸比工作波长小很多，因此可以不考虑沿线各点电压和电流的幅度和相位变化，沿线电压和电流只与时间因子有关，与空间位置无关，这符合基础电路理论。 举 例 TEM波传输线上电磁波的相速度为 是工作频率， 是传输线上电磁波的波长。 例如，对于带状线，当射频频率是1GHz，两接地导体板间介质的 =9.5时，带状线是长线还是短线？分析： 波长与带状线的尺寸差不多，用长线理论分析。 传输线属长线，沿线各点的电压和电流（或电场和磁场）既随时间变化，又随空间位置变化，是时间和空间的函数，传输线上电压和电流呈现出了波动性，所以长线用传输线理论来分析。 传输线理论是对长线而言的，用来分析传输线上电压和电流的分布，以及传输线上阻抗的变化规律。在射频频段，必须使用传输线理论取代电路理论。传输线理论是电路理论与电磁场波动理论的结合，传输线理论可以认为是电路理论的扩展，也可以认为是电磁场波动方程的解。 1.2.2 传输线的分布参数 由电磁场理论知，当高频信号通过传输线时，会产生下列分布参数：导线流过电流时，周围会产生高频磁场，因而沿导线各点会存在串联分布电感；两导线间加上电压时，线间会存在高频电场，于是线间会产生并联分布电容；电导率有限的导线流过电流时会发热，而且高频时由于趋肤效应，电阻会加大，即表明线本身有分布电阻；导线间介质非理想时有漏电流