射频传输线(吉大通信).ppt
第2章 射频传输线,2.1 金属波导传输线的一般分析2.2 矩形波导2.3 圆波导2.4 同轴线及其高次模2.5 带状线2.6 微带线2.7 介质波导和其他微波传输线,图2.1 金属波导传输线,2.1 金属波导传输线的一般分析,2.1.1 导波方程及其求解 复数形式麦克斯韦方程组的微分形式：（2.1）（无源区）（2.2）（2.3）（2.4）,图2.2 任意截面形状的金属波导,（2.6）（2.7）,导波系统的H和E可用横向t和纵向z表示：,复数形式的波动方程为,（2.15）（2.16）（2.17）（2.18）,为拉普拉斯算子,为波数。,（2.22）（2.23）（2.24）（2.25）,为截止波数。,2.1.2 波沿波导传输的一般特性1.波导中传输模的种类(1)Ez=0且Hz=0的传输模称为横电磁模，也称为横电磁波，记作TEM波。(2)Ez=0而Hz0的传输模称为横电模或磁模，记为TE模或H模；Ez0而Hz=0的传输模称为横磁模或电模，记为TM模或E模。空心金属管波导只能传输这类模。(3)Ez0且Hz0的传输模称为混合模，分为EH模和HE模。,截止现象和截止波长当频率足够高，而使 k kc 时，=j 为虚数（取“”号），且,为相移常数，它定义为单位长度上电磁波的相位变化。这种情况下的场量可写为,它表明电磁波沿z轴是传输的，这种状态下的波被称为传输波。,当频率较低，k较小而使 k kc 时，由=为实数（取“”号），为衰减常数，这时场量可写为,可以看出，电磁波的相位沿z轴并不变化，它不具有波动性质，其幅度按,的规律沿z轴很快的衰减。显然，这种波是不能传输的，它只能存在于激发源附近，称电磁波的这种状态为截止状态，处于这种状态下的波为截止波。TE和TM波有截止现象，而TEM波没有截止现象，这是两类波的根本区别之一。,临界状态：在某一频率下k=kc，这时的传播常数=0，恰好是传输和截止的分界线，这种状态叫做临界状态。截止频率，截止波长：临界状态下的工作频率和工作波长，分别叫做截止频率和截止波长，以fc和c表示。要在波导中传输某种波，其工作波长必须小于它的截止波长；反之，如果要抑制某种波，就要破坏它的传输条件，使工作波长大于它的截止波长。相移常数可以用c来表示,总结：截止波长（2.27）截止频率,对于TEM波，,对于TE，TM波，,为虚数,可能为实数、虚数,传输状态：,截止状态,临界状态,导波系统传输TE，TM波的传输条件：,导波系统传输TE，TM波的截止条件：,对于TEM波，任何频率下都是传输状态。,导波系统传输TE和TM波的传输条件,3.波的速度相速度定义为波型的等相位面沿波导纵向移动的速度。公式为（2.28）群速度是指由许多频率组成的波群（包络）的速度，或者说是波包的速度。定义为（2.29）,色散：相速度、群速度是频率（波长）的函数。,4.波导波长（2.31）,色散现象：TE和TM波的相速、群速都随频率而变化，这种现象称为“色散”。因此TE和TM波统称为色散波，而TEM为无色散波。,5.波阻抗波导中的波型阻抗简称为波阻抗。定义为该波型的横向电场与横向磁场的比值。（2.32）（2.33）,6.功率流（2.34）,在波导中，原则上可存在两种类型的波，第一类是TEM波，第二类是TE、TM波。前者只能存在于双导线系统中，后者既可以存在于波导，也可存在于双导线波导系统。这两种波的主要区别是：(1)TEM波1)没有场的纵向分量，其电磁场的横向分布与同一传输线中的静态场相同；2)无色散现象；3)无截止现象，可以传输f=0 的电磁波。(2)TE、TM波1)存在场的纵向分量；2)有色散现象；3)有截止现象，因而电磁波有一定的传输条件。,表2.1列出了这两类波型的特性和参数,2.2 矩形波导,图2.3 矩形波导,截面为矩形的波导简称为矩形波导，是应用最广泛的一种波导。其结构如图2.3所示，宽边尺寸为a，窄边尺寸为b，管壁材料一般用紫铜。,2.2.1 矩形波导中的波型及场分量1.TM模(2.44),截止波数：,2.TE模,(2.45),截止波数：,2.2.2 矩形波导中波的纵向传输特性 1.截止波长和截止频率,波型传输的条件：,或,(2.54),2.55,2.相速度和相波长,3.群速度,例2.1用BJ100型矩形波导传输电磁波，已知BJ100型的尺寸为a=2.286cm,b=1.016cm,试问：当工作波长分别为1.5cm、4cm、5cm时，波导中能传输哪些模式?,图2.5 BJ-100型波导的截止波长分布图,矩形波导中的主模式-TE10模,例2.2用BJ32型波导作馈线，试问：（1）当工作波长为6cm时，波导中能传输哪些模式?（2）为保证单模传输，工作波长范围应为多少?（3）当波导中传输工作波长为10cm的TE10模时，p、vp及vg为多少？,解（1）BJ-32型波导，由公式 即工作波长为6cm时，波导中能传输TE10模、TE20模、TE01模、TE11模和TM11模。,（2）为保证单模传输，工作波长范围应为,（3）当波导中传输工作波长为10cm的TE10模时，光速,2.2.3 矩形波导中TE10模式的场结构图,图2.6 TE10模的电场分布,图2.7 TE10模的磁场分布,图2.8 TE10模的电磁场分布,（a）TE20模的电磁场分布（b）TE01模的电磁场分布图2.9 TE20模和TE01模的电磁场分布,（a）TE11模的电磁场分布（b）TM11模的电磁场分布图2.10 TE11模和TM11模的电磁场分布,图2.11 矩形波导TE10模的管壁电流分布图,2.2.4 矩形波导的管壁电流,（a）测量缝（b）辐射缝图2.12 矩形波导TE10模开缝位置图,2.2.5 矩形波导尺寸的设计考虑 保证矩形波导单模传输的条件为（2.69）,图2.13 脊波导,2.3 圆波导,图2.14 圆波导,2.3.1 圆波导中的波型及场分量1.TM模（2.78）,、,图2.15 和 的变化曲线,圆波导TM波型的截止波长,表2.1 TM波型的截止波长,2.TE模,圆波导TE波型的截止波长,表2.2 TE波型的截止波长,图2.16 圆波导中波型的截止波长分布图,3.圆波导中的波型及截止波长,图2.17 圆波导TE11模的场结构图,2.3.2 圆波导中的三个主要波型及其应用 1.TE11模,图2.18 矩形波导TE10模与圆波导TE11模的波型转换器。,2.TM01模,图2.20 圆波导TM01模的场结构,3.TE01模,图2.21 圆波导TE01模的场结构,2.4 同轴线及其高次模,2.4.1 同轴线的主模TEM模,图2.22同轴线,图2.23 同轴线中TEM模的电磁场分布,.获得最小的导体损耗衰减.获得最大的功率容量,1、工作波长与同轴线尺寸的关系为,2.4.3 同轴线的尺寸选择,2.5 带状线,图2.24 带状线的结构及主模场结构,2.5.1 特性阻抗 1.宽导体带情况 W/(b-t)0.35（2.97）,图2.25 带状线的分布电容,（2.98）,2.窄导体带情况W/(b-t)0.35（2.99）,图2.26 矩形和圆形芯线之间的等效,2.5.2 带状线的损耗和衰减 总的衰减常数为（2.100）（2.101）,（2.102）,2.5.3 带状线的尺寸选择.芯线宽度（2.103）,.接地板间距b（2.104）,2.6 微带线,图2.27 微带线及其场结构,2.6.1 微带线的模式 1.微带线的主模准TEM模,图2.28 微带线介质边界上的场分量,（2.106）即当r1时，式（2.106）右侧不等于0，因此等式左侧的纵向磁场分量也不等于0。,（2.107）即当r1时，由式（2.107）右侧不等于0可得等式左侧的纵向电场分量也不等于0。,2.微带线的高次模及微带尺寸选择（2.108）（2.109）,2.6.2 微带线的传输特性,图2.29 分析微带线特性的示意图,（2.111）,（2.112）,（2.114）,式中,2.6.3 微带线的损耗与衰减（2.115）式中,为导体损耗，为介质损耗。,（2.113）,2.7 介质波导和其他微波传输线,2.7.1 介质波导（表面波传输线）,介质波导的结构形式很多，有圆柱形、矩形等，本节仅以圆柱形介质波导为例，讨论介质波导中的传输波型及传输特性。其他结构形式的介质波导，这里仅列举几例，绘出在图2.37中。,圆柱形介质波导中的场方程,特征方程及其解,介质波导中模的特征方程为,式中,用计算机解上述方程时，程序框图如图2.39所示。,传输特性,图2.41 常用的圆柱形介质波导模式：TE01，TEM11，TM01模式的场型分布,2.7.2 其他微波传输线,1.悬置式微带线和导致式微带线,槽线,图2.43 槽线结构,共面传输线,图 2.44,鳍线,各种MIC传输线的性能比较,
