传输线和集总参数元件
高速电路设计信号完整性常用术语的基本概念
高速电路设计/信号完整性常用术语的基本概念1.信号完整性（Signal Integrity）：就是指电路系统中信号的质量，如果在要求的时间内，信号能不失真地从源端传送到接收端，我们就称该信号是完整的。
2.传输线（Transmission Line）：由两个具有一定长度的导体组成回路的连接线，我们称之为传输线，有时也被称为延迟线。
3.集总电路（Lumped circuit）：在一般的电路分析中，电路的所有参数，如阻抗、容抗、感抗都集中于空间的各个点上，各个元件上，各点之间的信号是瞬间传递的，这种理想化的电路模型称为集总电路。
4.分布式系统(Distributed System)：实际的电路情况是各种参数分布于电路所在空间的各处，当这种分散性造成的信号延迟时间与信号本身的变化时间相比已不能忽略的时侯，整个信号通道是带有电阻、电容、电感的复杂网络，这就是一个典型的分布参数系统。
5.上升/下降时间（Rise/Fall Time）：信号从低电平跳变为高电平所需要的时间，通常是量度上升/下降沿在10%-90%电压幅值之间的持续时间，记为Tr。
6.截止频率（Knee Frequency）：这是表征数字电路中集中了大部分能量的频率范围（0.5/Tr），记为Fknee，一般认为超过这个频率的能量对数字信号的传输没有任何影响。
7.特征阻抗（Characteristic Impedance）：交流信号在传输线上传播中的每一步遇到不变的瞬间阻抗就被称为特征阻抗，也称为浪涌阻抗，记为Z0。
可以通过传输线上输入电压对输入电流的比率值(V/I)来表示。
8.传输延迟（Propagation delay）：指信号在传输线上的传播延时，与线长和信号传播速度有关，记为tPD。
9.微带线（Micro-Strip）：指只有一边存在参考平面的传输线。
10.带状线（Strip-Line）：指两边都有参考平面的传输线。
11.趋肤效应（Skin effect）：指当信号频率提高时，流动电荷会渐渐向传输线的边缘靠近，甚至中间将没有电流通过。
传输线理论基础知识
一般情况下，Z0 为复数，其摸和幅角分别为：
特性阻抗与频率的定性关系如下图2-5：
2.6 均匀传输线传播常数 传播常数γ表示行波经过单位长度后振幅和相位的变化。其表示式如下式所示：
一般情况下，传播常数γ复数，其实部α称为衰减常数, 单位为dB/m（有时也用Np/m,1Np/m=8.86 dB/m）；β为相移常数, 单位为rad/m。
1.2 传输线分布参数及其等效电路 长线的含义
长线是指传输线的几何长度和线上传输电磁波的波长的比值（即电长度）大于或接近于1；反之，则 称为短线。可见二者是相对概念，取决于传输线的电长度而不是几何长度。
长线和短线的区别还在于：前者为分布参数电路，而后者是集中参数电路。在低频电路中 常常忽略元件连接线的分布参数效应，认为电场能量全部集中在电容器中，而磁场能量全部集 中在电感器中，电阻元件是消耗电磁能量的。由这些集中参数元件组成的电路称为集中参数电 路。随着频率的提高，电路元件的辐射损耗，导体损耗和介质损耗增加，电路元件的参数也随 之变化。当频率提高到其波长和电路的几何尺寸可相比拟时，电场能量和磁场能量的分布空间 很难分开，而且连接元件的导线的分布参数已不可忽略，这种电路称为分布参数电路。
由此可见，微波传输线中的分布参数不可忽略，必须加以考虑。由于传输线的分布参数效应，使传 输线上的电压电流不仅是空间位置的函数。
均匀传输线的分布参数及其等效电路
根据传输线上分布参数均匀与否，可将传输线分为均匀和不均匀两种，下面讨论均匀传输线。 均匀传输线：所谓均匀传输线是指传输线的几何尺寸、相对位置、导体材料以及周围媒质特性沿电 磁波传输方向不改变的传输线，即沿线的参数是均匀分布的 在均匀传输线上，分布参数R、L、C、G是沿线均匀分布的，即任一点分布参数都是相同的，用R1、 L1、C1、G1分别表示传输线单位长度的电阻、电感 、电容、电导。
集总参数和分布参数
集总参数和分布参数 组成电路模型的元件，都是能反映实际电路中元件主要物理特征的理想元件，由于电路中实际元件在工作过程中和电磁现象有关，因此有三种最基本的理想电路元件：表示消耗电能的理想电阻元件R；表示贮存电场能的理想电容元件C；表示贮存磁场能的理想电感元件L，当实际电路的尺寸远小于电路工作时电磁波的波长时，可以把元件的作用集总在一起，用一个或有限个R、L、C元件来加以描述，这样的电路参数叫做集总参数。
而集总参数元件则是每一个具有两个端钮的元件，从一个端钮流入的电流等于从另一个端钮流出的电流；端钮间的电压为单值量。
参数的分布性指电路中同一瞬间相邻两点的电位和电流都不相同。
这说明分布参数电路中的电压和电流除了是时间的函数外，还是空间坐标的函数。
一个电路应该作为集总参数电路，还是作为分布参数电路，或者说，要不要考虑参数的分布性，取决于其本身的线性尺寸与表征其内部电磁过程的电压、电流的波长之间的关系。
若用 l表示电路本身的最大线性尺寸，用λ表示电压或电流的波长，则当不等式 λ>>l 成立，电路便可视为集总参数电路，否则便需作为分布参数电路处理。
电力系统中，远距离的高压电力传输线即是典型的分布参数电路，因50赫芝的电流、电压其波长虽为 6000 千米，但线路长度达几百甚至几千千米，已可与波长相比。
通信系统中发射天线等的实际尺寸虽不太长，但发射信号频率高、波长短，也应作分布参数电路处理。
研究分布参数电路时，常以具有两条平行导线、而且参数沿线均匀分布的传输线为对象。
这种传输线称为均匀传输线（或均匀长线）。
作这样的选择是因为实际应用的传输线可以等效转换成具有两条平行导线形式的传输线，而且这种均匀的传输线容易分析。
传输线是传送能量或信号的各种传输线的总称。
其中包括电力传输线、电信传输线、天线等。
传输线又称长线。
由于它具有在空间某个方向上其长度已可与其内部电压、电流的波长相比拟，而必须考虑参数分布性的特征，所以是典型的分布参数电路。
传输线原理
第一章. 传输线理论一、典型的分布参数系统—传输线。
在一般的电路分析中，所涉及的网络都是集总参数的，即所谓的集总参数系统。
电路的所有参数，如阻抗、容抗、感抗都集中于空间的各个点上，即各个元件上。
各点之间的信号是瞬间传递的。
集总参数系统是一种理想化的模型。
它的基本特征可归纳为：<1>. 电参数都集中在电路元件上。
<2> . 元件之间连线的长短对信号本身的特性没有影响，即信号在传输过程中无畸变, 信号传输不需要时间。
<3>. 系统中各点的电压或电流均是时间且只是时间的函数。
集总参数系统是实际情况的一种理想化近似。
实际的情况是各种参数分布于电路所在空间的各处，当这种分散性造成的信号延迟时间与信号本身的变化时间相比已不能忽略的时侯，就不能再用理想化的模型来描述网络。
这时，信号是以电磁波的速度在信号通道上传输，信号通道(或者说是信号的连线)是带有电阻、电容、电感的复杂网络，是一个典型的分布参数系统。
任何一个电子学系统中，都不可避免地要使用大量连接线，有的连接线很短，只有几厘米，有的连接线很长，有几米、几十米甚至上百米。
在这样长的连接线上，信号从始端(信号源所在处)传到终端(负载所在处)需要一定的时间，实验和电动力学的理论都证明了以空气为绝缘介质米/秒，也就是0.3米/ns。
假设有5米的均匀导体，电信号的传输速度可以接近光速即3108长的导线，信号从始端传到终端需要17ns时间，换句话说，终端信号相对于始端有17ns的延迟。
这段时间相对于微秒或更低速度的系统是无关大局的，但对于毫微秒(ns)量级的高速电路就不能等闲视之了。
高速门电路(如74FTTL系列数字集成电路)的每级平均延迟时间可以小到几个ns，这时由上述连接线产生的延迟就不可再忽略。
而速度更高的ECL数字集成电路，其典型延迟时间为1～2 ns(ECL 10K系列)，甚至只有300～500 ps(ECLinPS系列)。
传输线的集总参数模型
传输线的集总参数模型
传输线的集总参数模型是一种用于描述传输线特性的电路模型，它将传输线看作是由一系列的集中参数元件组成的电路。
这些元件包括电阻、电感、电容和电导，它们分别代表传输线上的电阻、电感、电容和电导。
在集总参数模型中，传输线被分为许多微小段，每一段都被视为一个集总参数元件。
这些元件的参数值是根据传输线的物理尺寸、材料和几何形状等参数计算得出的。
使用集总参数模型，我们可以方便地描述传输线的电压和电流的行为，并预测其在不同频率和不同条件下的一致性和损耗。
这种方法在高频和宽频带应用中特别有用，因为这些应用需要精确地控制信号的传播和衰减。
然而，集总参数模型也有其局限性。
它不适用于非常长的传输线或非常低的频率，因为这种情况下需要考虑分布参数效应。
此外，集总参数模型也不能准确地描述传输线的辐射效应和非线性效应。
总的来说，传输线的集总参数模型是一种非常有用的工具，可以帮助我们理解和设计传输线系统。
但是，在使用它时，我们需要注意其适用范围和局限性，以确保我们得到准确的结果。
关于传输线等效集总电路模型的拓展教学
第４２卷 第６期２０２０年１２月电气电子教学学报ＪＯＵＲＮＡＬＯＦＥＥＥＶｏｌ．４２ Ｎｏ．６Ｄｅｃ．２０２０收稿日期：２０２０ ０３ ０４；修回日期：２０２０ ０４ １２基金项目：国家自然科学基金项目（项目编号：６１６７４１０５）第一作者：唐 （１９８０ ），男，博士，副教授，主要从事电磁场与微波技术的教学和科研工作，Ｅ ｍａｉｌ：ｔｍ２２２＠ｓｊｔｕ．ｅｄｕ．ｃｎ关于传输线等效集总电路模型的拓展教学唐 ，吴林晟，毛军发（上海交通大学电子信息与电气工程学院，上海２００２４０）摘要：传输线的等效集总电路模型有助于理解和掌握传输线的基本概念，并可用于电特性的仿真分析。
本文分别探讨了在教学过程中需拓展的两个重要知识点。
其一，在高频工作情况下，需要对含有频变分布参数的传输线进行准确建模，获取相应的等效集总电路模型；其二，在分析多导体构成的耦合传输线时，等效集总电路模型同样值得探究。
关键词：传输线；集中元件电路；频变参数；耦合线中图分类号：Ｇ４２３．０７；ＴＮ０１５ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００８ ０６８６（２０２０）０６ ００７５ ０４ＥｘｔｅｎｄｉｎｇＴｅａｃｈｉｎｇｏｎＥｑｕｉｖａｌｅｎｔＬｕｍｐｅｄ ＥｌｅｍｅｎｔＣｉｒｃｕｉｔＭｏｄｅｌｓｆｏｒＴｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎＬｉｎｅｓＴＡＮＧＭｉｎ，ＷＵＬｉｎ ｓｈｅｎｇ，ＭＡＯＪｕｎ ｆａ（ＳｃｈｏｏｌｏｆＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃ，ＩｎｆｏｒｍａｔｉｏｎａｎｄＥｌｅｃｔｒｉｃａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＳｈａｎｇｈａｉＪｉａｏＴｏｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｓｈａｎｇｈａｉ２００２４０，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅｅｑｕｉｖａｌｅｎｔｌｕｍｐｅｄ ｅｌｅｍｅｎｔｃｉｒｃｕｉｔｍｏｄｅｌｉｓｈｅｌｐｆｕｌｆｏｒｕｎｄｅｒｓｔａｎｄｉｎｇａｎｄｍａｓｔｅｒｉｎｇｔｈｅｂａｓｉｃｃｏｎ ｃｅｐｔｓｏｆｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎｌｉｎｅｓ，ａｎｄｉｔｃａｎａｌｓｏｂｅｕｓｅｄｆｏｒｔｈｅａｎａｌｙｓｉｓｏｆｅｌｅｃｔｒｉｃａｌｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ．Ｔｈｉｓｐａｐｅｒｄｉｓｃｕｓｓｅｓｔｗｏｉｍｐｏｒｔａｎｔｐｏｉｎｔｓｔｈａｔｎｅｅｄｔｏｂｅｅｘｐａｎｄｅｄｉｎｔｈｅｔｅａｃｈｉｎｇｐｒｏｃｅｓｓ．Ｆｉｒｓｔｌｙ，ｉｎｔｈｅｃａｓｅｏｆｈｉｇｈ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙｏｐｅｒａ ｔｉｏｎ，ｉｔｉｓｎｅｃｅｓｓａｒｙｔｏａｃｃｕｒａｔｅｌｙｍｏｄｅｌｔｈｅｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎｌｉｎｅｗｉｔｈｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｄｅｐｅｎｄｅｎｔｐａｒａｍｅｔｅｒｓｔｏｏｂｔａｉｎｔｈｅｃｏｒｒｅｓｐｏｎｄｉｎｇｌｕｍｐｅｄ ｅｌｅｍｅｎｔｃｉｒｃｕｉｔｍｏｄｅｌ．Ｓｅｃｏｎｄｌｙ，ｗｈｅｎａｎａｌｙｚｉｎｇｔｈｅｃｏｕｐｌｅｄｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎｌｉｎｅｓｃｏｍｐｏｓｅｄｏｆｍｕｌｔｉｐｌｅｃｏｎｄｕｃｔｏｒｓ，ｔｈｅｌｕｍｐｅｄ ｅｌｅｍｅｎｔｃｉｒｃｕｉｔｍｏｄｅｌｉｓａｌｓｏｗｏｒｔｈｅｘｐｌｏｒｉｎｇ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎｌｉｎｅ；ｌｕｍｐｅｄ ｅｌｅｍｅｎｔｃｉｒｃｕｉｔ；ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｄｅｐｅｎｄｅｎｔｐａｒａｍｅｔｅｒ；ｃｏｕｐｌｅｄｌｉｎｅｓ０ 引言传输线理论在电路理论与电磁场理论之间架起了桥梁，在微波和高速电路中具有非常广泛的应用［１］。
传输线的特征参数
传输线是一种用于传输电信号和电能的导线结构，常见于电力系统、通信系统和电子设备中。
传输线有许多特征参数，这些参数决定了传输线的性能和适用范围。
下面将详细介绍传输线的特征参数。
1. 电阻（Resistance）：传输线的电阻是指单位长度内电流通过导线时产生的电压降。
电阻取决于导线的材料、截面积和长度。
电阻会引起传输线内部的功率损耗，并且会导致信号的衰减和失真。
2. 电感（Inductance）：传输线的电感是指单位长度内传输线对电流变化的响应。
电感取决于导线的几何形状和材料。
电感会导致传输线内部的电流分布不均匀，从而引起信号的反射和干扰。
3. 电容（Capacitance）：传输线的电容是指单位长度内传输线的电荷存储能力。
电容取决于导线之间的绝缘材料和几何结构。
电容会引起传输线内部的电压分布不均匀，从而引起信号的衰减和失真。
4. 传输速度（Propagation velocity）：传输线的传输速度是指电磁波在传输线中传播的速度。
传输速度取决于传输线的介质特性和几何结构。
传输速度会影响信号在传输线中的延迟时间和相位。
5. 传输损耗（Transmission loss）：传输线的传输损耗是指信号在传输线中由于电阻、电感和电容等因素引起的功率损失。
传输损耗会导致信号的衰减和失真，影响传输线的有效距离。
6. 阻抗（Impedance）：传输线的阻抗是指单位长度内传输线对电压和电流变化的响应。
阻抗取决于传输线的电阻、电感和电容等特性。
阻抗匹配是实现信号传输的重要问题，不匹配的阻抗会引起信号的反射和干扰。
7. 信号反射（Signal reflection）：当信号在传输线上到达终端时，如果终端的阻抗与传输线的阻抗不匹配，部分信号将会被反射回传输线上。
信号反射会导致传输线上出现干扰和信号失真。
8. 串扰（Crosstalk）：在多条传输线并行排列时，其中一条传输线上的信号可能会通过电磁场的相互作用影响到其他传输线上的信号，这种现象称为串扰。
双导线等效集总参数模型
双导线等效集总参数模型双导线是电路中常见的传输线路，在电力系统和通信系统中广泛应用。
为了更好地理解双导线的特性和行为，我们可以使用双导线的等效集总参数模型进行分析和计算。
双导线等效集总参数模型是一种简化的电路模型，将双导线抽象为电感、电阻和电容的组合。
这个模型能够描述双导线的传输特性，包括传输线的传输速度、传输损耗和传输衰减等重要参数。
我们来看一下双导线的等效集总参数模型中的三个主要参数：电感、电阻和电容。
电感是双导线模型中的一个重要参数，它表示单位长度上的导线对电流变化的响应能力。
电感的大小取决于导线的几何结构和材料特性。
在双导线模型中，电感通常用“L”来表示。
电阻是双导线模型中的另一个重要参数，它表示单位长度上的导线对电流的阻碍作用。
电阻的大小取决于导线的材料电阻率和导线截面积。
在双导线模型中，电阻通常用“R”来表示。
电容是双导线模型中的第三个重要参数，它表示单位长度上的导线对电荷的存储能力。
电容的大小取决于导线的几何结构和材料特性。
在双导线模型中，电容通常用“C”来表示。
在双导线等效集总参数模型中，这三个参数相互作用，共同决定了双导线的传输特性。
传输线的传输速度是指信号在传输线上传播的速度。
它由电感和电容共同决定。
当电感增加或电容减小时，传输速度会减慢；当电感减小或电容增加时，传输速度会加快。
传输线的传输损耗是指信号在传输过程中损失的能量。
它由电阻决定。
当电阻增加时，传输损耗会增加；当电阻减小时，传输损耗会减小。
传输线的传输衰减是指信号在传输过程中衰减的程度。
它由电阻、电感和电容共同决定。
当电阻增加、电感增加或电容减小时，传输衰减会增加；当电阻减小、电感减小或电容增加时，传输衰减会减小。
通过双导线的等效集总参数模型，我们可以更好地理解双导线的传输特性，并进行相应的分析和计算。
这对于电力系统和通信系统的设计和优化非常重要。
在实际应用中，我们可以根据具体情况选择适当的双导线等效集总参数模型，以满足设计要求。
什么是集总参数和分布参数
什么是集总参数和分布参数什么是集总参数和分布参数组成电路模型的元件，都是能反映实际电路中元件主要物理特征的理想元件，由于电路中实际元件在工作过程中和电磁现象有关，因此有三种最基本的理想电路元件：表示消耗电能的理想电阻元件R；表示贮存电场能的理想电容元件C；表示贮存磁场能的理想电感元件L，当实际电路的尺寸远小于电路工作时电磁波的波长时，可以把元件的作用集总在一起，用一个或有限个R、L、C元件来加以描述，这样的电路参数叫做集总参数。
而集总参数元件则是每一个具有两个端钮的元件，从一个端钮流入的电流等于从另一个端钮流出的电流；端钮间的电压为单值量。
参数的分布性指电路中同一瞬间相邻两点的电位和电流都不相同。
这说明分布参数电路中的电压和电流除了是时间的函数外，还是空间坐标的函数。
一个电路应该作为集总参数电路，还是作为分布参数电路，或者说，要不要考虑参数的分布性，取决于其本身的线性尺寸与表征其内部电磁过程的电压、电流的波长之间的关系。
若用l表示电路本身的最大线性尺寸，用λ表示电压或电流的波长，则当不等式λ>>l 成立，电路便可视为集总参数电路，否则便需作为分布参数电路处理。
电力系统中，远距离的高压电力传输线即是典型的分布参数电路，因50赫芝的电流、电压其波长虽为6000 千米，但线路长度达几百甚至几千千米，已可与波长相比。
通信系统中发射天线等的实际尺寸虽不太长，但发射信号频率高、波长短，也应作分布参数电路处理。
研究分布参数电路时，常以具有两条平行导线、而且参数沿线均匀分布的传输线为对象。
这种传输线称为均匀传输线（或均匀长线）。
作这样的选择是因为实际应用的传输线可以等效转换成具有两条平行导线形式的传输线，而且这种均匀的传输线容易分析。
传输线是传送能量或信号的各种传输线的总称。
其中包括电力传输线、电信传输线、天线等。
传输线又称长线。
由于它具有在空间某个方向上其长度已可与其内部电压、电流的波长相比拟，而必须考虑参数分布性的特征，所以是典型的分布参数电路。
微波无源器件
第6章微波无源器件微波器件有源器件:无源器件:放大器、混频器、倍频器…基本元件（R、C、L）、阻抗变换器、定向耦合器、功率分配器、环行器…波导型同轴型微带型微波元件6.1 微波基本元件v6.1.1 微带基本元件一、集总参数元件(l <<λ)微带线1、电阻用钽（tan)、镍、铬合金材料蒸发在基片上，两端由微带引出2、电容6.1 微波基本元件v 6.1.1 微带基本元件一、集总参数元件(l <<λ)二、半集总参数元件(l 与λ接近) 6.1 微波基本元件v 6.1.2 波导基本元件≈b dY b B c g 2csc ln 4πλ1、膜片a 、电容膜片：b 、电感膜片−≈a d Y a B c g 22πλctg 谐振窗2、螺钉 6.1 微波基本元件v 6.1.2 波导基本元件3、终端负载(一) 匹配负载吸收入射波的全部功率。
使传输线工作于行波状态。
对匹配负载的基本要求是：（1）有较宽的工作频带，（2) 输入驻波比小和一定的功率容量。
Z L =Z c0==Γc in Z Z 作用: 6.1 微波基本元件v 6.1.2 波导基本元件3、终端负载(一) 匹配负载吸收入射波的全部功率。
使传输线工作于行波状态。
对匹配负载的基本要求是：（1）有较宽的工作频带，（2) 输入驻波比小和一定的功率容量。
Z L =Z c0==Γc in Z Z 作用:(二）短路负载作用:将电磁能量全部反射回去。
Z L =0l tg jZ Z c in β=6.1 微波基本元件v 6.1.2 波导基本元件3、终端负载抗流式(二）短路负载作用:将电磁能量全部反射回去。
Z L =0l tg jZ Z c in β=v 6.1.4 波型与极化变换器6.1 微波基本元件1．方-圆变换器2．线-圆极化变换器v 6.1.5 衰减器和相移器6.1 微波基本元件1、衰减器理想的衰减器应是只有衰减而无相移的二端口网络，其散射矩阵为[]S e e l l =−−00αα衰减器的衰减量表示为：oi A P PL log 10=截止式v 6.1.5 衰减器和相移器6.1 微波基本元件2、相移器移相器是对电磁波只产生一定的相移而不产生能量衰减的微波元件，它是一个无反射、无衰减的二端口网络。
cst集总元件的用法
cst集总元件的用法CST集总元件（Component-System Tool）是一种广泛应用于射频和微波领域的工具，用于建模、仿真和分析电磁场中的电子元件和系统。
它通过以各种传输线、天线和滤波器等元件为基础，提供了一个实用而有效的方法来解决电路设计和射频系统优化的问题。
本文将就CST集总元件的用法进行探讨。
一、CST集总元件简介CST集总元件是CST Studio Suite软件中的一个特殊功能模块，它将传统的电路元件和电磁场仿真相结合，为工程师提供了一个直观的界面来设计和分析复杂的射频和微波电路。
这些元件的建模方法基于电场和磁场的相互作用，准确地描述了电磁场中的电磁现象和传输特性。
二、CST集总元件的应用领域CST集总元件广泛应用于通信、雷达、微波加热、微波感应、医疗诊断、无线电频谱分析等领域。
通过使用CST集总元件，工程师可以实现复杂电路中的电流分布、电磁场分布、功率传输等参数的准确仿真和分析，从而指导工程设计和优化系统性能。
三、CST集总元件的建模方法CST集总元件的建模方法基于传统的电路元件，如电阻、电感、电容等，并通过电磁场仿真结果来修正参数。
对于复杂的元件，可以使用分段建模和层间连接等技术来精确描述元件的物理结构和尺寸。
此外，CST集总元件还支持导入和导出其他常用工具的模型，如ADS、Sonnet等，以满足不同工程需求。
四、CST集总元件的分析功能CST集总元件提供了一系列强大的分析功能，包括频率响应、传输特性、S参数、功率损耗等。
它能够准确地预测电子元件和系统的工作性能，并通过参数优化来指导设计过程。
此外，CST集总元件还支持多物理场耦合仿真，如电磁场和机械场的耦合分析，以满足复杂系统的需求。
五、CST集总元件的优势和局限CST集总元件具有易学易用的特点，工程师只需了解基本的电磁场理论知识和电路设计原理，即可快速上手。
此外，它还提供了丰富的实例和教程，帮助用户更好地理解和使用该工具。
传输线和集总参数元件
A
在射频/微波频率下,实际的介质内部存在传导电 流,也就存在相应的损耗, 介质中的带电粒子还有一 定的质量和惯性 , 在电磁场的作用下 , 很难随之同步 振荡,在时间上有滞后现象,也会引起能量的损耗。
传输线和集总参数元件
所以
1 Z Ge jC
（1-8）
Ge
平面式电容器在实现大容量值的隔直流模块和去耦电
路时需特别注意功率容量 。
传输线和集总参数元件
102
101
实际电容
| Z | /
100
10－
1
理想电容 10－ 108
2
109 f电容阻抗的绝对值与频率的关系
注：也可用一段很短的开路传输线来模拟电容器
电感
传输线和集总参数元件
电路的工作性能也有较大的影响。
传输线和集总参数元件
集总参数元件的射频特性
集中参数元件尺寸小、价格低，可实现宽带，这些 优点特适合HMIC和MMIC，目前应用可达60GHz以上。 在微波频段，集中参数元件可看作一段很小的 TEM
传输线来设计，设计时需要考虑综合一些数学模型，建
立模型时需考虑接地面的存在、邻近效应、边缘场、寄 生参数等。
~
z l z
Z1
u (z＋z,t)
(c)
(d )
传输线和集总参数元件
(R jL)(G jC) j
U U R jL Z0 I I G jC G jC
常用的电感器一般是线圈结构,在高频率也称为高频 扼流圈，其结构一般是用直导线沿柱状结构缠绕而成。
Cd
Rd Rd
图1-9 在电感线圈中的分布电容和串联电阻
注：一段很短的短路传输线也可用来模拟电感器
传输线参数
(4.12)
4.4.2 INDUCTANCE DUE TO EXTERNAL FLUX LINKAGE 外部磁链产生的电感
如图4.4所示，考虑导线外部半径x>r处同心圆磁路的磁场强度为 H x。由于半径为x 的圆包围了整个电流，所以流经半径x为的圆截面的电流为 I x I 。将式（4.5）中用I x 替换I，则半径x处的磁通密度为
Bx 0 H x
0 I 2 x
(4.13)
图4.4 与间的磁链（Flux linkage between and
既然这部分磁通围绕整个电流，磁链 d x的数值上等于磁通的 dx 。对厚度为 dx 、 长度为1m的导线，它的磁通的微分 dx为
d x dx Bx dx 1
图4.1 345-kV具有点阵结构（格状结构）的输电线
RI 2
输电线电压等级的选择取决于输送功率和传输距离。在投资建设时，选择电压等 2 级以及导线尺寸要充分考虑 RI （即热损耗）、可见噪音、无线电干扰水平与一次性投 资的比较。在美国，标准传输电压由美国标准化组织（ANSI）决定。输电线电压超过 60的电压等级标准为69、15、138、161、230、345、500、765（线电压）。传输电压超 过230称为超高压（extra-high voltage，EHV），等于或大于765称为特高压（ultra-high voltage，UHV）。对于高等级电压输电线材料一般是ACSR（钢芯铝绞线），AAC（铝 绞线），AAAC（铝合金绞线）和ACAR（加强型铝合金绞线）。这些线材如此普遍的 原因在于它们比较廉价，强度重量比比铜线高。而且，铝的供应充足，而铜资源数量 有限。导线绞合时具有弹性。ACSR导线中心为钢股线，周围为数层铝线，如图4.2所示。 绞合的每一层向邻近层相反的方向绞合，这种螺旋式结构使导线的每一股线都很牢固。
微波技术基础 简答题整理
第一章传输线理论1-1.什么叫传输线？何谓长线和短线？一般来讲，凡是能够导引电磁波沿一定方向传输的导体、介质或由它们共同体组成的导波系统，均可成为传输线；长线是指传输线的几何长度l远大于所传输的电磁波的波长或与λ可相比拟，反之为短线。
（界限可认为是l/λ>=0.05）1-2.从传输线传输波形来分类，传输线可分为哪几类？从损耗特性方面考虑，又可以分为哪几类？按传输波形分类：（1）TEM（横电磁）波传输线例如双导线、同轴线、带状线、微带线；共同特征：双导体传输系统；（2）TE（横电）波和TM（横磁）波传输线例如矩形金属波导、圆形金属波导；共同特点：单导体传输系统；（3）表面波传输线例如介质波导、介质镜像线；共同特征：传输波形属于混合波形（TE波和TM 波的叠加）按损耗特性分类：（1）分米波或米波传输线（双导线、同轴线）（2）厘米波或分米波传输线（空心金属波导管、带状线、微带线）（3）毫米波或亚毫米波传输线（空心金属波导管、介质波导、介质镜像线、微带线）（4）光频波段传输线（介质光波导、光纤）1-3.什么是传输线的特性阻抗，它和哪些因素有关？阻抗匹配的物理实质是什么？传输线的特性阻抗是传输线处于行波传输状态时，同一点的电压电流比。
其数值只和传输线的结构，材料和电磁波频率有关。
阻抗匹配时终端负载吸收全部入射功率，而不产生反射波。
1-4.理想均匀无耗传输线的工作状态有哪些？他们各自的特点是什么？在什么情况的终端负载下得到这些工作状态？（1）行波状态：0Z Z L =，负载阻抗等于特性阻抗（即阻抗匹配）或者传输线无限长。
终端负载吸收全部的入射功率而不产生反射波。
在传输线上波的传播过程中，只存在相位的变化而没有幅度的变化。
（2）驻波状态：终端开路，或短路，或终端接纯抗性负载。
电压，电流在时间，空间分布上相差π/2，传输线上无能量传输，只是发生能量交换。
传输线传输的入射波在终端产生全反射，负载不吸收能量，传输线沿线各点传输功率为0.此时线上的入射波与反射波相叠加，形成驻波状态。
传输线和集总参数元件
(1-6b)
H
L
W
图1-3 物质的体电阻
L2
Ca
L
R
L
Cb
图1- 4 电阻的等效电路
C1
R
L1
L2
C2
图 1-5 线绕电阻的等效电路
| Z | /
10 3
10 2
理想电阻
10 1
电感效应
10 0
电容效应
10 － 1
10 － 210－来自3106
10 7
10 8
10 9 10 10
10 11
10 12
集总参数元件的射频特性
集中参数元件尺寸小、价格低，可实现宽带，这些 优点特适合HMIC和MMIC，目前应用可达60GHz以上。
在微波频段，集中参数元件可看作一段很小的TEM 传输线来设计，设计时需要考虑综合一些数学模型，建 立模型时需考虑接地面的存在、邻近效应、边缘场、寄 生参数等。
电阻
基本功能是将电能转换成热产生电压降。
射频/微波集成电路电感器可分为： （1）带状电感器 （2）单圈环形电感器 （3）多匝螺旋电感器
知识回顾
z Zg
~ Eg
传输线基本理论
i(z＋ z,t)
Rz L z
＋
Z1 u(z＋z,t)
C z G z
－
i(z,t)
＋ u(z,t)
－
zl
z＋ z
z
0
(a)
z (b)
(d ) (c)
(R j L )G (j C ) j (1-13)
平面式电容器在实现大容量值的隔直流模块和去耦电 路时需特别注意功率容量 。
102
101
实 际电 容
微波电路西电雷振亚老师的课件第2章传输线理论
第2章 传输线理论
假设波的传播方向为＋z轴方向,由基尔霍夫电压及 电流定律可得下列传输线方程式:
d 2U (z) dz2
(RG 2LC)U (z)
j(RC
LG)U (z)
0
d
2
I
(
z
)
dz2
(RG 2LC)I(z)
j(RC
LG)I (z)
0
(2-11)
此两个方程式的解可写成
U(z)=U+e-γz+U-eγz I(z)=I+e-γz-I-eγz
32
第2章 传输线理论
2.3 传输线基本理论
在射频/微波频段,工作波长与导线尺寸处在同一量 级。在传输线上传输波的电压、 电流信号是时间及传 输距离的函数。一条单位长度传输线的等效电路可由R、 L、 G、 C等四个元件组成,如图2-12所示。
33
第2章 传输线理论
L
R
＋
～源
－
负
C
G
载
图2-12 单位长度传输线的等效电路
（2-3a）
（2-3b）
4
第2章 传输线理论
式中 δ=(πfμσ) -1/2 （2-4）
定义为“集肤深度”。式（2-3）一般在δ a条件 下成立。从式（2-4）可以看出,集肤深度与频率之间满 足平方反比关系,随着频率的升高,集肤深度是按平方率 减小的。
交流状态下沿导线轴向的电流密度可以表示为
J
z
pI
13
第2章 传输线理论 在射频应用中,电阻的等效电路比较复杂,不仅具有阻
值,还会有引线电感和线间寄生电容,其性质将不再是纯电 阻,而是“阻”与“抗”兼有,具体等效电路如图2-4所示。 图中Ca表示电荷分离效应,也就是电阻引脚的极板间等效 电容；Cb表示引线间电容; L为引线电感。
传输线理论
损耗、计算损耗的微扰方法等。
1
本章目录
❖第一节 传输线理论基础 ❖第二节 传输线的种类 ❖第三节 传输线的集总元件电路模型 ❖第四节 端接负载的无耗传输线 ❖第五节 有耗传输线 ❖第六节 Smith圆图
第3章 传输线理论
教学 重点
本章重点介绍了传输线的种类和传输线的集总元件电路模 型；端接开路、短路等特殊终端的无耗传输线的输入阻抗 以及在射频电路中的应用；阻抗、导纳、组合阻抗-导纳 Smith圆图的特点与应用方法。
能教力学 要重求点
掌握：端接开路、短路等特殊终端的无耗传输线的输入阻 抗及应用；Smith圆图的特点与应用方法。
17
§3.4 端接负载的无耗传输线
3.4.2 传播常数和相速
复传播常数的表达式：
rj(R jL )(G jC )
无耗线路中有R=G=0, 因此：
rjj LC
式中， 为衰减系数， 为波数。
波长 、相速v P 、与频率 f 、波数 之间的关系：
vP f
1 vP LC
vP
18
§3.4 端接负载的无耗传输线
2
知识结构
传输线理论基础 传输线的种类
普通传输线结构及特性 平面传输线结构及特性
由电路理论过渡到集总元件电路
传输线的集总
集总元件电路上的传输线的场分析
元件电路模型
电压反射系数
传
传播常数和相速
输 线 理
端接负载的 无耗传输线
驻波 开路线、短路线、四分之一波长传输线
论
低耗线
无畸变
有耗传输线
输入阻抗 入射波的功率损耗
传输线理论详解
R G
可忽略R和G的影响。——低耗线
24
4.1.2 传输线方程及其解 1、均匀传输线方程
1式
jt u(z,t) Re U(z)e jt i(z,t) Re I(z)e
设在时刻t, 位臵z处的
电压和电流分别为u(z, t) 和 i(z, t), 而在位臵 z+dz
代入铜材料
58 . 107
微波传输线 当频率升高出现的第一个问题是导体的集肤效应 (Skin Effect)。导体的电流、电荷和场都集中在导 体表面 ［例 2 ］研究 f=10GHz=1010Hz、L=3cm、r0=2mm 导线 的线耗R。 这种情况下，J J e a ( r0 r )
两式联立, 得 u ( z , t ) Ri( z , t ) L i ( z , t )
z t i ( z , t ) u ( z , t ) Gu( z , t ) C z t
均匀传输线方程
2式
（电报方程）
将1 式代入2式，得
dU R jL I dz dI G jC U dz
★ 这导致传输线上的电压和电流是随时间和空间位 臵而变化的二元函数。 波动性
20
2 分布参数效应
分布电感 分布电容 分布电阻 分布漏电导
传输线单位长度上的分布电阻为R、分布电导为G、分布电 容为C、分布电感为L, 其值与传输线的形状、尺寸、导线 的材料、及所填充的介质的参数有关。
若将传输线分成无数个微 元，可以认为每个微元内 的电压和电流是不变的。 Rdz, Gdz, Ldz, Cdz 就可以看成集总参数
1 微波传输线的分类
传输线的特征参数
传输线是一种用于电信号传输的导线或导缆，由于其特殊的结构和材料选择，能够有效地传输信号并降低传输损耗。
传输线的特征参数是描述传输线性能的重要指标，它们包括传输线的电阻、电感、电容和传播速度等。
下面将详细介绍这些特征参数。
1. 电阻（Resistance）：传输线的电阻是指单位长度传输线所具有的电阻值，通常用欧姆/米（Ω/m）来表示。
电阻会产生传输线的功率损耗，因此较低的电阻值意味着更好的传输线性能。
2. 电感（Inductance）：传输线的电感是指单位长度传输线所具有的电感值，通常用亨利/米（H/m）来表示。
电感会导致电信号的反射和频率响应的改变，因此需要注意电感对传输线信号的影响。
3. 电容（Capacitance）：传输线的电容是指单位长度传输线所具有的电容值，通常用法拉/米（F/m）来表示。
电容会导致电信号的延迟和传播速度的改变，因此需要注意电容对传输线信号的影响。
4. 传播速度（Propagation Velocity）：传输线的传播速度是指信号在传输线上的传播速度，通常用米/秒（m/s）来表示。
传播速度受到传输线材料和结构的影响，不同的传输线具有不同的传播速度。
5. 传输损耗（Transmission Loss）：传输线的传输损耗是指信号在传输过程中的功率损耗，通常用分贝/米（dB/m）来表示。
传输损耗受到电阻、电感和电容等因素的综合影响，较低的传输损耗意味着更好的传输线性能。
6. 阻抗（Impedance）：传输线的阻抗是指传输线上电压和电流之间的比值，通常用欧姆（Ω）来表示。
阻抗匹配是保证信号传输效果良好的重要因素，传输线的阻抗需要与连接设备的阻抗匹配。
7. 带宽（Bandwidth）：传输线的带宽是指能够传输的信号频率范围，通常用赫兹（Hz）来表示。
带宽受到传输线的电容和电感等因素的影响，较大的带宽意味着传输线能够传输更高频率的信号。
8. 端接方式（Termination）：传输线的端接方式是指传输线与连接设备之间的连接方式，常见的端接方式有匹配负载端接和反射负载端接。
传输线概念
12)同层临近铜皮模型-引入间隔（有效阻抗怎么算？算出来了）
13)电磁场、分析
14)串扰
边沿耦合、平面耦合
15)反射
16)差分结构
17)叠层结构
s参数模型包含实际长度3特性阻抗z0传输线的分布参数通常用单位长度的电感l和单位长度的电容c以及单位长度上的电阻电导来表示它们主要由传输线的几何结构和绝缘介质的特性所决定的
1)传输线的概念
2)传输线，通过比较传输线长度Delay（延迟）与信号边沿Tr（频率）
非传输线通常用集总参数模型
传输线通常用：
W单元模型（单位长度系数）
电路简化为：
图5
Z1n=Zs+ =Z0
即：ZO=
= +
因为l是微分段，极小，l项和12项可忽略。
Z0= =Z0= =
当频率足够高时（f≥100KHZ），ω=2πf，其值很大，ωl、ωc很大，R、G可忽略，L为单位长度线的固有电感，C为单位长度线的固有电容，此时
Z0=
当频率很低时（f≤1KHZ），W=2πf很小，可以忽略，此时
公式根据分布参数模型来的！
S参数模型（包含实际长度）
3)特性阻抗Z0
传输线的分布参数通常用单位长度的电感L和单位长度的电容C以及单位长度上的电阻、电导来表示，它们主要由传输线的几何结构和绝缘介质的特性所决定的。分布的电容、电感和电阻是传输线本身固有的参数，给定某一种传输线，这些参数的值也就确定了，这些参数反映着传输线的内在因素，它们的存在决定着传输线的一系列重要特性。
一个传输线的微分线段l可以用等效电路描述如图1：
图1
传输线的等效电路是由无数个微分线段的等效电路串联而成，如图2所示：
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平面式电容器在实现大容量值的隔直流模块和去耦电 路时需特别注意功率容量 。
传输线和集总参数元件
102
101
实 际电 容
| Z | /
100
10－ 1
10－
2
108
理 想电 容
109
1010
1011
f /Hz
传输线和集总参数元件
在交流状态下,有“集肤效应”；在射频 （f≥500MHz）范围此导线相对于直流状态的电阻 和电感可分别表示为
R a R dc 2 L a R dc 2
（1-3a） （1-3b）
一般在δ＜＜a条件下成立
传输线和集总参数元件 δ=(πfμσ) -1/2 （1-4）
定义为“集肤深度”。 集肤深度与频率之间满足平方反比关系,随着 频率的升高,集肤深度按平方率减小。 电流密度为
定义薄片电阻
Rh
1
H
,则
R
Rh
L W
(1-6b)
传输线和集总参数元件
H
L
W
图1-3 物质的体电阻
Ca
L
R
L
Cb
图1- 4 电阻的等效电路
C1
L2
R
L1
L2
C2
图 1-5 线绕电阻的等效电路
传输线和集总参数元件
| Z | /
10 3
10 2
理想电阻
10 1
电感效应
10 0
电容效应
10 － 1
10 － 2
当R=G=0时,传输线没有损耗,无耗传输线的传输常 数γ及特性阻抗Z0分别为
j j LC
L Z0 C
传输线和集总参数元件
α定义为传输线的衰减常数:
L 2C (R LG C)1 2(R0Y G0Z ) 定义为相移常数：
传输线和集总参数元件
知识回顾
传输线基本理论
i(z＋ z,t)
z
Rz L z
Zg
~ Eg
＋
Z1 u(z＋z,t)
C z G z
－
i(z,t)
＋ u(z,t)
－
zl
z＋ z
z
0
(a)
z (b)
(d ) (c)
传输线和集总参数元件
( R jL )G ( jC ) j (1-13)
Z 0U I U I G jCG R jj C L
图1-8 电容阻抗的绝对值与频率的关系
注：也可用一段很短的开路传输线来模拟电容器
传输线和集总参数元件
电感 常用的电感器一般是线圈结构,在高频率也称为高频
扼流圈，其结构一般是用直导线沿柱状结构缠绕而成。
Cd
Rd Rd
图1-9 在电感线圈中的分布电容和串联电阻 注：一段很短的短路传输线也可用来模拟电感器
10
－
3
10
6
10 7
10 8
10 9 10 10
10 11
10 12
f / Hz
图1-6 电阻的阻抗绝对值与频率的关系
电阻及其寄生电容和电感在高频上随频率变化，是所有 电阻器的一个共同问题
传输线和集总参数元件
电容
在低频率下,电容器的电容量定义为
CdA0r
A d
在射频/微波频率下,实际的介质内部存在传导电 流,也就存在相应的损耗, 介质中的带电粒子还有一 定的质量和惯性,在电磁场的作用下,很难随之同步 振荡,在时间上有滞后现象,也会引起能量的损耗。
传输线和集总参数元件
导线的缠绕构成电感的主要部分,而导线本身的电感可 以忽略不计，细长螺线管的电感量为
L r20N2
l
（1-10）
在考虑了寄生旁路电容Cs以及引线导体损耗的串联电 阻Rs后，电感的等效电路如图1-10 所示。
L
Rs
Cs
图1-10 高频电感的等效电路
传输线和集总参数元件
| Z | /
传输线和集总参数元件
所希望使用的薄膜电阻特性是： 稳定性好的电阻值，不随时间变化； 低的电阻温度系数（TCR）； 足够的散热能力； 寄生参量足够小； 最大长度小于0.1λ，使得传输线效应可以忽略。
传输线和集总参数元件
物质的电阻的大小与物质内部电子和空穴 的迁移率有关。从外部看,
R L
WH
(1-6a)
交指型电容器
C (pF)rw 1l[(N3)A 1A 2]
C
L
Rg
Re
图1-7 射频电容的等效电路
传输线和集总参数元件
交指型电容器 交指型电容器的最大电容值受限于物理尺寸，其最 大可工作的频率受限于指间的分布特性。 交指型电容器特别适合于用做调谐、耦合和匹配元 件，这些场合要求电容量小、量值精确的电容器。
传输线和集总参数元件
所以
Z 1
Ge jC
（1-8）
Ge
d A
d
（1-9）
在射频/微波应用中,还要考虑引线电感L以及引 线导体损耗的串联电阻Rg和介质损耗电阻Re。
传输线和集总参数元件
平面式电容器由金属-绝缘体-金属结构组成，氮化 硅、氧化硅和聚酰亚胺是其经常使用的绝缘体。
传输线和集总参数元件
Jz2paI
J0(pr) J1(pa)
（1-5）
p2=-jωμσ。
传输线和集总参数元件
图 1-1 交流状态下铜导线横截面电流密度对直流情况的 归一化值
传输线和集总参数元件
金属导线本身有一定的电感量,这个电感在射频/微 波电路中,会影响电路的工作性能。电感值与导线的长 度、形状和工作频率有关。
金属导线还可以看作一个电极,它与地线或其他电 子元件之间存在一定的电容量,这个电容对射频/微波 电路的工作性能也有较大的影响。
传输线和集总参数元件
集总参数元件的射频特性
集中参数元件尺寸小、价格低，可实现宽带，这些 优点特适合HMIC和MMIC，目前应用可达60GHz以上。
在微波频段，集中参数元件可看作一段很小的TEM 传输线来设计，设计时需要考虑综合一些数学模型，建 立模型时需考虑接地面的存在、邻近效应、边缘场、寄 生参数等。
传输线和集总参数元件
电阻
基本功能是将电能转换成热产生电压降。
电子电路中,一个或多个电阻可构成降压或分压 电路用于器件的直流偏置,也可用作直流或射频电 路的负载电阻完成某些特定功能。通常有：
高密度碳介质合成电阻、镍或其他材料的线绕 电阻、温度稳定材料的金属膜电阻和铝或铍基材料 薄膜片电阻。
在射频/微波电子电路中使用最多的是薄膜片电 阻,一般使用表面贴装元件（SMD）。
10 5 实 际电 感
10 4
理 想电 感
铜电感线圈的高频特 性：在谐振点之前阻抗升
10 3
高很快,而在谐振点之后,
由于寄生电容Cs的影响已
10 2
经逐步处于优势地位而逐
10 1 10 8
10 9
10 10
f /Hz
10 11 渐减小。
图1-11 电感阻抗的绝对值与频率的关系
传输线和集总参数元件
射频/微波集成电路电感器可分为： （1）带状电感器 （2）单圈环形电感器 （3）多匝螺旋电感器