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文檔簡介

1微波技術(shù)、天線與電波傳播是無線電技術(shù)的一個(gè)重要組成部分,它們共同的基礎(chǔ)是電磁場理論,但三者研究的對象和目的有所不同。微波技術(shù)主要研究如何導(dǎo)引電磁波在微波傳輸系統(tǒng)中的有效傳輸,它希望電磁波按一定要求沿傳輸系統(tǒng)無輻射地傳輸。天線是將微波導(dǎo)行變成向空間定向輻射的電磁波,或?qū)⒖臻g的電磁波變成微波設(shè)備中的導(dǎo)行波。均勻傳輸線理論中的概念電波傳播研究電波在空間的傳播方式和特點(diǎn)。2主要學(xué)習(xí)內(nèi)容1.1微波傳輸線及其分類1.2均勻傳輸線方程的解1.3傳輸線的工作特性參數(shù)1.4傳輸線的狀態(tài)參量1.5無耗傳輸線的工作狀態(tài)1.6傳輸功率、效率和損耗1.7阻抗匹配3(1)微波傳輸線(或?qū)Рㄏ到y(tǒng))1.1微波傳輸線及其分類微波傳輸線是用以傳輸微波信息和能量的各種形式的傳輸系統(tǒng)的總稱,其作用是引導(dǎo)電磁波沿一定方向傳輸,又稱導(dǎo)波系統(tǒng),它所引導(dǎo)的電磁波稱為導(dǎo)行波。4(2)均勻傳輸線(或規(guī)則導(dǎo)波系統(tǒng))1.1微波傳輸線及其分類

1)定義:截面尺寸、形狀、媒質(zhì)分布、材料及邊界條件均不變的導(dǎo)波系統(tǒng)稱為規(guī)則導(dǎo)波系統(tǒng)或均勻傳輸線。把導(dǎo)行波傳播的方向稱為縱向,垂直于導(dǎo)波傳播的方向稱為橫向。無縱向電磁場分量的電磁波稱為橫電磁波,即TEM波。5(2)均勻傳輸線(或規(guī)則導(dǎo)波系統(tǒng))1.1微波傳輸線及其分類

2)分類①雙導(dǎo)體傳輸線:由兩根或兩根以上的平行導(dǎo)體構(gòu)成,主要包括平行雙線、同軸線、帶狀線和微帶線等。②波導(dǎo):均勻填充介質(zhì)的金屬波導(dǎo)管,主要包括矩形波導(dǎo)、圓波導(dǎo)、脊形波導(dǎo)和橢圓形波導(dǎo)等。③介質(zhì)傳輸線:因電磁波沿此類傳輸線表面?zhèn)鞑?,故又稱為表面波波導(dǎo),主要包括介質(zhì)波導(dǎo)、鏡像線和單根表面波傳輸線等。6對均勻傳輸線的分析方法通常有兩種:一種是場分析法,即從麥克斯韋方程出發(fā),求出滿足邊界條件的波動解,得出傳輸線上電場和磁場的表達(dá)式,進(jìn)而分析傳輸特性;另一種是等效電路法,即從傳輸線方程出發(fā),求出滿足邊界條件的電壓、電流波動方程的解,得出沿線等效電壓、電流的表達(dá)式,進(jìn)而分析傳輸特性。1.2均勻傳輸線方程的解7(1)均勻傳輸線方程1.2均勻傳輸線方程的解由均勻傳輸線組成的導(dǎo)波系統(tǒng)都可等效為圖示的均勻平行雙導(dǎo)線系統(tǒng)。其中傳輸線的始端接微波信號源,終端接負(fù)載。8(1)均勻傳輸線方程1.2均勻傳輸線方程的解當(dāng)高頻電流通過傳輸線時(shí),在傳輸線上:導(dǎo)線將產(chǎn)生熱耗,這表明導(dǎo)線具有分布電阻;在周圍產(chǎn)生磁場,即導(dǎo)線存在分布電感;由于導(dǎo)線間絕緣不完善而存在漏電流,表明沿線各處有分布電導(dǎo);兩導(dǎo)線間存在電壓,其間有電場,導(dǎo)線間存在分布電容。這四個(gè)分布元件分別用單位長分布電阻、漏電導(dǎo)、電感和電容描述。9(1)均勻傳輸線方程1.2均勻傳輸線方程的解應(yīng)用基爾霍夫定律且在時(shí)諧情況下為單位長串聯(lián)阻抗;為單位長并聯(lián)導(dǎo)納。10(2)均勻傳輸線方程的一般解傳輸線的邊界條件通常有以下三種:①已知z=0處的終端電壓和終端電流;②已知z=l處的始端電壓和始端電流;③已知z=l處的信號源內(nèi)阻和電動勢及z=0處的負(fù)載電阻。稱為傳輸線的特性阻抗。如果已知終端負(fù)載電壓、電流及傳輸線特性參數(shù),則可求出傳輸線上任意一點(diǎn)的電壓和電流。11(3)傳輸線方程解的分析令,且假設(shè)、,

為實(shí)數(shù),并考慮時(shí)間因子,電壓和電流的瞬時(shí)值表達(dá)式為:12(3)傳輸線方程解的分析結(jié)論傳輸線上任意點(diǎn)上的電壓和電流都由兩部分組成,在任意一點(diǎn)處電壓或電流均由沿-z方向傳播的入射波和沿+z方向傳播的反射波疊加而成。不管是入射波還是反射波,它們都是行波。行波在傳播過程中其幅度按衰減,稱為衰減常數(shù)。而相位隨z連續(xù)滯后,故稱為相位常數(shù)。131.3傳輸線的工作特性參數(shù)傳輸線的工作特性參數(shù)主要有特性阻抗、傳播常數(shù)、相速及波長。(1)特性阻抗:1)定義:即傳輸線上入射電壓與入射電流的比值或反射電壓與反射電流比值的負(fù)值,表達(dá)式為它僅由自身的分布參數(shù)決定而與負(fù)載及信號源無關(guān)。142)結(jié)論①一般情況下,特性阻抗為復(fù)數(shù),且與頻率有關(guān);②對均勻無耗(R=G=0)傳輸線,其特性阻抗為實(shí)數(shù),且與頻率無關(guān);③對損耗很小的傳輸線,其特性阻抗,也為實(shí)數(shù),且與頻率無關(guān)。15(2)傳播常數(shù)1)定義傳播常數(shù)是描述傳輸線上導(dǎo)行波的衰減和相移的參數(shù),其中,α(單位為dB/m)和β(單位為rad/m)分別稱為衰減常數(shù)和相移常數(shù)。其一般表達(dá)式為16(2)傳播常數(shù)2)結(jié)論對于無耗傳輸線,,對于損耗很小的傳輸線,,17(3)相速與波長

1)定義傳輸線上的電壓、電流入射波(或反射波)的等相位面沿傳播方向傳播的速度,稱為相速,即

2)傳輸線上電磁波的波長與自由空間波長關(guān)系18(3)相速與波長

3)結(jié)論對均勻無耗傳輸線,相速與頻率無關(guān),這種波稱為無色散波;對有耗傳輸線,相速與頻率相關(guān),這種波稱為色散波。19(3)相速與波長波的群速度,或簡稱群速,是指組成信號的波群的傳播速度,即波的包絡(luò)傳播速度。實(shí)際上就是波實(shí)際前進(jìn)的速度。相速度:單一頻率的正弦電磁波波的等相面(例如波峰面或波谷面)在介質(zhì)中傳播的速度v=c/n,c為自由空間中的光速,n為介質(zhì)對該頻率電磁波的折射指數(shù)。實(shí)用系統(tǒng)的信號總是由許多頻率分量組成,在色散介質(zhì)中,各單色分量將以不同的相速傳播,因此要確定信號在色散介質(zhì)中的傳播速度就發(fā)生困難,為此引入群速的概念,它描述信號的能量傳播速度。20(1)輸入阻抗1.4傳輸線的狀態(tài)參量

1)定義傳輸線上任意一點(diǎn)電壓與電流的比值稱為傳輸線在該點(diǎn)的輸入阻抗,它與導(dǎo)波系統(tǒng)的狀態(tài)特性有關(guān)。對于無耗傳輸線,表達(dá)式為21(1)輸入阻抗1.4傳輸線的狀態(tài)參量

2)結(jié)論均勻無耗傳輸線上任意一點(diǎn)的輸入阻抗與觀察點(diǎn)的位置、傳輸線的特性阻抗、終端負(fù)載阻抗及工作頻率有關(guān),且一般為復(fù)數(shù),故不宜直接測量;無耗傳輸線上任意相距為處的阻抗相同,一般稱之為重復(fù)性。22(2)反射系數(shù)1.4傳輸線的狀態(tài)參量

1)定義傳輸線上任意一點(diǎn)反射波電壓(或電流)與入射波電壓(或電流)的比值稱為傳輸線在該點(diǎn)的反射系數(shù)。對于無耗傳輸線,表達(dá)式為23(2)反射系數(shù)1.4傳輸線的狀態(tài)參量

2)結(jié)論對于均勻無耗傳輸線,傳輸線上任意點(diǎn)的反射系數(shù)大小相等,永遠(yuǎn)等于終端反射系數(shù),其相位按周期

變化,其周期為,即反射系數(shù)也具有重復(fù)性。24(3)反射系數(shù)與輸入阻抗關(guān)系1.4傳輸線的狀態(tài)參量

1)相互關(guān)系或25(3)反射系數(shù)與輸入阻抗關(guān)系1.4傳輸線的狀態(tài)參量

2)結(jié)論當(dāng)傳輸線的特性阻抗一定時(shí),輸入阻抗與反射系數(shù)一一對應(yīng),因此,輸入阻抗可通過反射系數(shù)的測量來確定。時(shí),此時(shí)傳輸線上任意一點(diǎn)的反射系數(shù)都等于零,稱之為負(fù)載匹配。當(dāng)終端開路或短路或接純電抗負(fù)載時(shí),終端反射系數(shù)。26(4)駐波比、行波系數(shù)1.4傳輸線的狀態(tài)參量

1)定義傳輸線上波腹點(diǎn)電壓振幅與波節(jié)點(diǎn)電壓振幅的比值為電壓駐波比,也稱為駐波系數(shù),其倒數(shù)稱為行波系數(shù)。27(4)駐波比、行波系數(shù)1.4傳輸線的狀態(tài)參量

2)駐波比、行波系數(shù)與反射系數(shù)的關(guān)系傳輸線上波腹點(diǎn)電壓振幅與波節(jié)點(diǎn)電壓振幅的比值為反射系數(shù)用駐波比表示駐波比的倒數(shù)稱為行波系數(shù)28(4)駐波比、行波系數(shù)1.4傳輸線的狀態(tài)參量

29(4)駐波比、行波系數(shù)1.4傳輸線的狀態(tài)參量

3)結(jié)論當(dāng)傳輸線上無反射(即負(fù)載匹配)時(shí),行波系數(shù)K=1;當(dāng)傳輸線上全反射(=1)時(shí),行波系數(shù)K=0,行波系數(shù)反映了傳輸線上行波的程度,即行波系數(shù)越大,傳輸線的行波越大,表示負(fù)載匹配越好;已知駐波比可以求得反射系數(shù),同樣已知反射系數(shù)也可以求得駐波比。301.5無耗傳輸線的工作狀態(tài)對于無耗傳輸線,負(fù)載阻抗不同則波的反射也不同;反射波不同則合成波不同;合成波的不同意味著傳輸線有不同的工作狀態(tài)。歸納起來,無耗傳輸線有三種不同的工作狀態(tài):行波狀態(tài)、純駐波狀態(tài)和行駐波狀態(tài)。31(1)行波狀態(tài)1.5無耗傳輸線的工作狀態(tài)

1)定義傳輸線上無反射(即反射系數(shù)=0)的傳輸狀態(tài)稱為行波狀態(tài),實(shí)質(zhì)上就是阻抗匹配狀態(tài)。此時(shí),負(fù)載阻抗等于傳輸線的特性阻抗,即。32(1)行波狀態(tài)1.5無耗傳輸線的工作狀態(tài)

2)行波狀態(tài)傳輸線的特點(diǎn)沿線電壓和電流的振幅不變,駐波比=1;線上任意點(diǎn)的電壓和電流都同相;傳輸線上各點(diǎn)輸入阻抗均等于傳輸線的特性阻抗。33(2)純駐波狀態(tài)1.5無耗傳輸線的工作狀態(tài)1)定義傳輸線上全反射狀態(tài)(即反射系數(shù))的傳輸狀態(tài)稱為純駐波狀態(tài)。34(2)純駐波狀態(tài)1.5無耗傳輸線的工作狀態(tài)2)純駐波狀態(tài)的負(fù)載滿足反射系數(shù)=1的終端負(fù)載必然是下列三種負(fù)載之一:①終端短路,即;②終端開路,即;③終端接純電抗(電容或電感)負(fù)載,即jX。35

3)駐波狀態(tài)傳輸線的特點(diǎn)終端短路的傳輸線上電壓、電流分布終端開路的傳輸線上電壓、電流分布

(2)純駐波狀態(tài)36

3)駐波狀態(tài)傳輸線的特點(diǎn)

(2)純駐波狀態(tài)終端接純電感和純電容時(shí)傳輸線上電壓、電流分布37

3)駐波狀態(tài)傳輸線的特點(diǎn)它們的共同特點(diǎn)為:①沿線各處的電壓和電流幅值均按余弦規(guī)律變化,電壓和電流的相位差為90o,功率為無功功率。也就是說,處于純駐波狀態(tài)的傳輸線不能傳輸能量。因此,實(shí)際中應(yīng)避免這種情況而使負(fù)載與傳輸線匹配。

(2)純駐波狀態(tài)38

3)駐波狀態(tài)傳輸線的特點(diǎn)②電壓取最大值的地方電流取最小值(等于零),電壓等于零的地方電流取最大值。我們稱電壓最大點(diǎn)為電壓波腹點(diǎn);電壓最小值的點(diǎn)為電壓波節(jié)點(diǎn)。在電壓波節(jié)點(diǎn)處,輸入阻抗,相當(dāng)于串聯(lián)諧振;在電壓波腹點(diǎn)處,輸入阻抗,相當(dāng)于并聯(lián)諧振。(2)純駐波狀態(tài)39(2)純駐波狀態(tài)1.5無耗傳輸線的工作狀態(tài)

3)駐波狀態(tài)傳輸線的特點(diǎn)它們的共同特點(diǎn)為:③傳輸線上各點(diǎn)的輸入阻抗為純電抗;④當(dāng)終端短路時(shí),傳輸線上各點(diǎn)的輸入阻抗為⑤當(dāng)終端開路時(shí),傳輸線上各點(diǎn)的阻抗為40(2)純駐波狀態(tài)1.5無耗傳輸線的工作狀態(tài)

4)結(jié)論①當(dāng)z=0時(shí),輸入阻抗;當(dāng)z=λ/4時(shí),輸入阻抗。而當(dāng)時(shí)z=λ/2時(shí),。這就是說,從終端算起傳輸線每經(jīng)λ/4過其阻抗特性就變換一次,每經(jīng)過λ/2就重復(fù)一次,此性質(zhì)分別稱之為λ/4的變換性和λ/2的重復(fù)性。②當(dāng)時(shí)0<z<λ/4,輸入阻抗等效為一個(gè)電感,即長度小于λ/4的短路線等效為一個(gè)電感。41(2)純駐波狀態(tài)1.5無耗傳輸線的工作狀態(tài)

4)結(jié)論③當(dāng)時(shí)λ/4<z<λ/2時(shí),輸入阻抗等效為一個(gè)電容,即長度大于λ/4而小于λ/2的短路線等效為一個(gè)電容;④將終端短路負(fù)載延長(或縮短)λ/4,可以變成開路負(fù)載,反之亦然;(2)純駐波狀態(tài)43(3)行駐波狀態(tài)1.5無耗傳輸線的工作狀態(tài)1)定義傳輸線上接任意復(fù)數(shù)阻抗負(fù)載時(shí),傳輸線上傳輸?shù)墓β什糠直环瓷?,部分被?fù)載吸收。此時(shí),傳輸線上既有行波又有駐波,構(gòu)成混合波狀態(tài),稱之為行駐波狀態(tài)。44(3)行駐波狀態(tài)1.5無耗傳輸線的工作狀態(tài)

2)行駐波狀態(tài)傳輸線的特點(diǎn)傳輸線上接任意復(fù)數(shù)阻抗負(fù)載,其反射系數(shù)表達(dá)式為此時(shí),終端反射系數(shù)的模是一個(gè)既不等于O也不等于1的值。傳輸線上任意點(diǎn)輸入阻抗為復(fù)數(shù),表達(dá)式為45(3)行駐波狀態(tài)1.5無耗傳輸線的工作狀態(tài)46(3)行駐波狀態(tài)1.5無耗傳輸線的工作狀態(tài)

47(3)行駐波狀態(tài)1.5無耗傳輸線的工作狀態(tài)

48(1)傳輸功率與效率1.6傳輸功率、效率和損耗1)傳輸功率與效率傳輸線上任意一點(diǎn)z處的傳輸功率

49(1)傳輸功率與效率1.6傳輸功率、效率和損耗1)傳輸功率與效率入射波功率為反射波功率為

傳輸功率為

50(1)傳輸功率與效率1.6傳輸功率、效率和損耗1)傳輸功率與效率傳輸線效率為51(1)傳輸功率與效率1.6傳輸功率、效率和損耗2)結(jié)論負(fù)載吸收的功率取決于負(fù)載的匹配狀態(tài),負(fù)載匹配時(shí),負(fù)載吸收的功率最大,當(dāng)傳輸線上為純駐波狀態(tài)時(shí),負(fù)載得到的功率等于零。傳輸線的效率取決于傳輸線的損耗和終端匹配情況,當(dāng)負(fù)載匹配時(shí),效率為,對于無耗、負(fù)載匹配的傳輸線來說,1。

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