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传输线理论2014.5

内容简介一、认识传输线nnnnnn二、均匀传输线方程及其解三、均匀无耗传输线工作状态的分析四、阻抗圆图简介五、传输线阻抗匹配六、MIPSS实验系统阻抗匹配的实现

一、认识传输线随着信息系统工作频率的提高和高速数字电路的发展，必须考虑传输距离对信号幅度相位（频域）和波形时延（时域）的影响。从电路的观点出发，将传输线看作分布参数电路，传输线理论不考虑具体传输线的结构和横向纵向的场分布，只关心电压电流或等效电压电流沿传输线的变化。相对于场的理论而言，传输线是一种简化的模型，它不包括横向（垂直于传输线的截面）场分布的信息，却保留了纵向（沿传输线方向）波动现象的主要特征。对于许多微波工程中各种器件部件，采用这种简化的模型进行分析计算仍然是非常有效的和简洁的。在频域，我们所关心的是稳态解，应用入射波、反射波、幅度、相位等概念来描述线上的工作状态；在时域，我们所关心的是瞬态解，应用入射波、反射波、时延、瞬态波形等概念来描述线上的工作状态。传统的传输线理论注重频域稳态解。在实际工作中，由于高速数字电路的飞速发展，传输线上时域信号的瞬态解正日益引起人们的关注和研究。

1.1传输线的基本概念1.1.1定义传输线:是用来引导传输电磁波能量和信息的装置，例如：信号从发射机到天线或从天线到接收机的传送都是由传输线来完成的。(或凡是用来把电磁能从电路的一端送到电路的另一端的设备统称为传输线)。如图所示。

1.1.2对传输线的基本要求（1）传输损耗要小，传输效率要高；（2）工作频带要宽，以增加传输信息容量和保证信号的无畸变传输；（3）在大功率系统中，要求传输功率容量要大；（4）尺寸要小，重量要轻，以及能便于生产和安装。(为了满足上述要求，在不同的工作条件下，需采用不同型式的传输线。在低频时,普通的双根导线就可以完成传输作用,但是,随着工作频率的升高,由于导线的趋肤效应和辐射效应的增大使它的正常工作被破坏.因此,在高频和微波波段必须采用与低频时完全不同的传输线形式)

传输线分类从传输模式上看，传输线上传输的电磁波可以分为三种类型。（1）TEM波（横电磁波）：电场和磁场都与电磁场传播方向垂直。（2）TE波（横电波）：电场与电磁场传播方向垂直，传播方向上只有磁场分量。（3）TM波（横磁波）：磁场与电磁波传播方向垂直，传播方向只有电场分量。

（1）横电磁波（TEM波）传输线，如双导线、同轴线、带状线、微带线等。常用波段米波、分米波、厘米波。(a)平行双导线（b）同轴线（c）带状线

（2）波（TE和TM波），如矩形、形、脊形和形波等。厘米波、豪米波低端。（a）矩形波导（b）圆形波导（c）脊形波导

（3）表面波传输线：如介质波导、介质镜像线、单根线等。其传输模式一般为混合波型。适用于毫米波。（a）介质波导（b）镜像线（c）单根表面波传输线

TEM波模型如图1-1所示，电场（E）与磁场（H）与电磁波传播方向（V）垂直。TEM传输线上电磁波的传播速度与频率无关。结合我们的工作，这里只讨论TEM波传输线（如双线、同轴线）的基本理论。

研究传输线上所传输电磁波的特性的方法有两种。一种是“场”的分析方法，即从麦氏方程组出发，解特定边界条件下的电磁场波动方程，求得场量（E和H）随时间和空间的变化规律，由此来分析电磁波的传输特性；另一种方法是“路”的分析方法，它将传输线作为分布参数来处理，得到传输线的等效电路，然后由等效电路根据克希霍夫定律导出传输线方程，再解传输线方程，求得线上电压和电流随时间和空间的变化规律，最后由此规律来分析电压和电流的传输特性。这种“路”的分析方法，又称为长线理论。事实上，“场”的理论和“路”的理论既是紧密相关的，又是相互补充的。

1.2传输线分布参数及其等效电路长线的含义长线是指传输线的几何长度和线上传输电磁波的波长的比值（即电长度）大于或接近于1；反之，则称为短线。可见二者是相对概念，取决于传输线的电长度而不是几何长度。n

长线和短线的区别还在于：前者为分布参数电路，而后者是集中参数电路。在低频电路中常常忽略元件连接线的分布参数效应，认为电场能量全部集中在电容器中，而磁场能量全部集中在电感器中，电阻元件是消耗电磁能量的。由这些集中参数元件组成的电路称为集中参数电路。随着频率的提高，电路元件的辐射损耗，导体损耗和介质损耗增加，电路元件的参数也随之变化。当频率提高到其波长和电路的几何尺寸可相比拟时，电场能量和磁场能量的分布空间很难分开，而且连接元件的导线的分布参数已不可忽略，这种电路称为分布参数电路。

分布参数当高频信号通过传输线时，将产生如下分布参数效应：（a）由于电流流过导线，而构成导线的导体为非理想的，所以导线就会发热，这表明导线本身具有分布电阻；（单位长度传输线上的分布电阻用表示