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1、研究生课程电磁场与微波技术ElectromagneticFieldsandMicrowaveTechnology教师:孙保华学时:46学时学分:3.0学分西安电子科技大学·电子工程学院2传输线基本理论引言微波是指频率从300MHz-3000GHz范围内的电磁波,相应的波长范围是1m-0.1mm。其中工程上还划分成许多分波段,如L(1-2GHZ),S(2-4GHz)等。波长的简易算法300[]mfMHz[]频段分布567891011121314310310310310310310310310310
2、310VHFUHF长波中波短波微波远红外红外可见光西安电子科技大学·电子工程学院3传输线基本理论微波与一般的广播通信频率相比,由于频率高、波长短,具有良好的穿透性和独特的大气传播特性,以及使用频带宽、易产生、易定向等特点。微波已深入人们生活的各个角落,得到了广泛的应用。一般讲,微波技术研究的主要内容包括微波的产生、传输、变换、测量与应用等。作为微波技术基础,我们主要讨论一些最基本的问题,包括各种类型的传输线、谐振器的原理和分析方法,微波网络和常用的微波元件等。它是进一步学习或研究微波工程问题的基础。课本:微波技术基础
3、廖承恩编著,参考书:微波工程DavidM.Pozar。等。西安电子科技大学·电子工程学院4传输线基本理论传输线方程及其求解微波传输线是能够传递微波能量和信息的各种传输系统的总称,基本要求是损耗小、失真小,此外还有功率容量的要求。常用的微波传输线可分为如下几类:1)TEM波及准TEM波传输线,如同轴线、双导线、微带线和带状线等,共同特点是在传输方向上电场或磁场分量为零或很小。微带线同轴电缆线西安电子科技大学·电子工程学院5传输线基本理论2)波导传输线,如矩形波导、园波导、椭圆波导、脊波导等。其结构为截面形状各异的空管子,可
4、传输TE波和TM波。3)特殊的微波传输线,如介质波导传输线、槽线、波束波导等。随着人们的不断研究,近年来还出现了一些新的传输线形式。矩形波导园形波导西安电子科技大学·电子工程学院6传输线基本理论尽管各种传输线差异很大,但他们之间却存在共同的特性,概括起来:1)线长与波长相比拟;2)分布参数的影响起决定作用;3)电磁能量以波动方式沿线传播。正是由于这些共性,我们可以一种传输线形式,比如简单的平行双线传输线,讨论和建立传输线的一些基本理论和概念,这些基本理论对所有的传输线都适用。此外,我们通过传输线基本理论的学习,可以搭起电路分
5、析和电磁场分析之间的桥梁,更好地认识电磁和电路现象的本质。西安电子科技大学·电子工程学院7传输线基本理论传输线的电路模型和分布参数在微波频段,导线的分布参数影响已不能忽略,包括1)分布电感—在导线上流过时变电流,在电流周围产生磁场,磁场与电流相交链,形成沿线分布的自感和互感感,即分布电感。LdzD平行双导线单位长度分布电感为22DDdLHln[/m]d西安电子科技大学·电子工程学院8传输线基本理论2)分布电容—导线上流过时变电流产生电场,在电场作用下导体表面存在电荷,这种相互影响等效为一个电容,即分布电容。
6、dzDC利用前边学过的静电场知识,我们可以计算出单位长度上平行双导线分布电容值,有CF[/]m22DDdlnd西安电子科技大学·电子工程学院9传输线基本理论3)分布电阻—导线上流过时变电流产生电场,由于实际的导线不是理想导体,导线呈现一个沿线电阻,即分布电阻。由于趋肤效应,使得高频时的电阻比直流或低频时更大。平行双线单位长度分布电阻为2Rm[/]d24)分布电导—介质为非理想介质时,导线间存在漏电流,其效应可等效为分布电导,对于平行双线GS[/]m22DDdlnd西安电子科技大学·电子
7、工程学院10传输线基本理论接前页,上述四个参数是微波传输线的基本电气参数,根据这些参数可以得到传输线的电路模型。首先,取一段无限小的线元zz(),则等效电路如下zLzRzGzCz西安电子科技大学·电子工程学院11传输线基本理论传输线方程izt(,)LzRziz(,zt)对于等效电路中一个小的vzt(,)GzCz线元,我们利用基尔霍夫电压和电流定律,我们得到vz(,zt)izt(,)vztRziztLz(,)(,)vz(zt,)0tvz(,zt)i
8、ztGz(,)vzztCz(,)izzt(,)0t西安电子科技大学·电子工程学院12传输线基本理论当线元z0时,我们可以用微分代替差分,将电流和电压方程进行改写,即vz(,ztvzt)(,)(vzt,)zziz(,ztizt)(,)(i