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.