2015年微波工程导论第2章传输线理论与阻抗匹配.docx

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1、第二章传输线理论与阻抗匹配微波传输线理论（或长线理论）是微波技术的基础。本章首先从“路论”的观点研究普通的TEM波传输线，给出传输线的基本概念、传输特性、计算公式，这一节是微波传输线的基础；然后介绍阻抗匹配理论及其匹配方法。2.1传输线基本概念（1）什么是传输线？传输线的作用是什么？广义地讲，凡是能够导引电磁波沿一定方向传输的导体、介质或由它们共同组成的导波系统，都可以称为传输线。传输线是微波技术中最重要的基本元件之一，这是因为它不仅可以把电磁波的能量从一处传输到另一处，而且还可用它作为基本组成部分来构成各种用

2、途的微波元(器)件。（2）传输线有哪几类？具体传输线的种类是很多的，而且可按不同的标准分类。若按传输线所导引的电磁波的波型（亦称模、场结构或场分布）来划分，则可分为三种类型，图2.1-1给出了这三种类型传输线中比较典型和常用的传输线的结构简图，但并非是传输线的全部。图2.1-1传输线的种类(1)TEM波和准TEM波传输线；(2)TE波和TM波传输线；(3)表面波传输线。(a)平行双导线；(b)同轴线；(c)带状线；(d)微带线；(e)矩形波导；(f)圆形波导；(g)脊形波导；(h)椭圆波导；(i)介质波导；(j

3、)镜像线；(k)单根表面波传输线①TEM波传输线，如双导线、同轴线、带状线和微带线（严格地讲，是准TEM波）等，它们都属于双导体传输系统，多导体系统也可以传输TEM波；②TE波和TM波传输线，如矩形、圆形、脊形和椭圆形波导等，它们是由空心金属管构成的，属于单导体传输系统（双导体和多导体传输系统在一定条件下，例如，当传输线的横向尺寸与工作波长相比足够大时，也可以传输TE和TM波，但一般不常用，常用的是主模TEM波）；③表面波传输线，如介质波导(包括光波导)，介质镜像线，以及单根的表面波传输线等，电磁波聚集在传输线

4、内部及其表面附近沿轴线方向传播，一般的是混合波型（TE波和TM波的叠加），某种情况下也可传播TE或TM波。此外，还有一些结构上更为复杂的传输线，它们是上述三种基本类型的组合和发展。（3）对传输线的基本要求是什么？工作频带宽、功率容量大、工作稳定性好、传输损耗小、尺寸小、成本低是对传输线的最基本要求。在实际应用中，从减少传输损耗（导体损耗、介质损耗和辐射损耗）、屏蔽性好、受外界干扰小，以及减小结构尺寸和工艺上的可实现性来考虑，在米波或分米波中的低频段范围内，常采用双导线或同轴线；在厘米波范围内常采用空心金属波导管

5、以及带状线和微带线等；在毫米波范围常采用空心金属波导管、介质波导、介质镜像线和微带线；在光频波段则常采用光波导（光纤）。（4）传输线理论主要内容是什么？传输线理论主要包括两方面的内容：一是研究所传输波型的电磁波在传输线横截面内电场和磁场的分布规律（亦称场结构、模、波型），称为横向问题；二是研究电磁波沿传输线轴向的传播特性和场的分布规律，称为纵向问题。横向问题要通过求解电磁场的边值问题来解决，不同类型或同一类型但结构型式不同的传输线，具有不同的边界条件，应分别加以研究。但是，各类传输线的纵向问题却有很多共同之处，

6、例如，都是沿轴线方向把电磁波的能量从一处传向另一处，都是一种波的传播（波动），而且，由于传输线终端所接负载的不同，当沿着传输线的纵向（轴向）观察时，可能是行波、行驻波或纯驻波，因此，尽管传输线类型不同，但都可以用相同的物理量来加以描述。可见，如果我们的着重点不是各类传输线横截面内的场结构（横向问题），而是它的纵向问题，则可以用一个等效的简单传输线（如双导线或同轴线）来描述。（5）传输线纵向问题的分析方法简单传输线的纵向问题，可以用场的方法来分析；在求得传输线的分布参数之后，也可以用路的方法来分析。前者是根据边界

7、和初始条件求电磁场波动方程的解，得出电磁场随时间和空间的变化规律；后者是利用分布参数电路的理论（传输线的电路模型）来分析电压波（与电场相对应）和电流波（与磁场相对应）随时间和空间的变化规律。实际上，这是对同一客观事物的两种不同描述方法，可根据具体情况采用其中的一种方法。就一般问题而言，场的分析方法是普遍的方法。鉴于路的方法简便、易懂，本章将采用路的方法来分析传输线的纵向问题。本章虽然是以双导线传输TEM波为例讨论有关的问题，但由此得出的某些结论、公式和概念，以及某些计算方法（例如，阻抗圆图和导纳圆图等），都具有

8、普遍意义，对于传输TE和TM波的传输线也是适用的。正是基于此，在本章的讨论中有时明确指出是双导线传输线，有时又笼统地称为传输线，以强调其普遍性。（6）“长线”概念传输线理论中的纵向问题，早期是从研究很长的双导线传输线开始的，因此有时又把传输线理论称为“长线理论”。实际上，当传输线的长度l远大于所传输的电磁波的波长λ、或者可与波长相比拟时，它就是“长线”，反之，则为短线。例如，对于频率为