第1章_传输线理论和阻抗匹配
1.4传输线的传输功率、效率与损耗
1.4 传输线的传输功率、效率与损耗传输线传输功率效率与损耗传输功率本节要点传输效率 损耗 功率容量Decibels (dB)作为单位功率值常用分贝来表示,这需要选择一个功率单位作为参考,常用的参考单位有1mW 和1W 。
如果用1mW 作参考,分贝表示为:=)mW (lg 10)dBm (P P 如1mW=0dBm 10mW=10dBm 1W=30dBm 0.1mW=−10dBm如果1W 作参考,分贝表示为:如1W=0dBW10W=10dBW0.1W=−10dBW)W (lg 10)dB (P P =插入损耗1.5 阻抗匹配阻抗匹配具有三种不同的含义,分别是负载阻抗匹配、源阻抗匹配和共轭阻抗匹配。
抗匹配源阻抗匹配和共轭阻抗匹配本节内容三种匹配阻抗匹配的方法与实现1. 三种匹配(impedance matching)入射波射波反射波Z 0Z lZ (1)g负载阻抗匹配:负载阻抗等于传输线的特性阻抗。
此时传输线上只有从信源到负载的入射波,而无反射波。
(2)源阻抗匹配:电源的内阻等于传输线的特性阻抗。
()阻抗内阻等传输线特性阻抗对匹配源来说,它给传输线的入射功率是不随负载变化的,负载有反射时,反射回来的反射波被电源吸收。
E gZ gZ in=Z g* E g负载阻抗匹配Z l =Z 0 Z =Z 信号源阻抗匹配g 0 共轭阻抗匹配Z in =Z g *匹配器1匹配器2*g in ZZ =Z in =Z 02. 阻抗匹配的实现方法隔离器或阻抗匹配衰减器负载匹配的方法:从频率上划分有窄带匹配和宽带匹配;从实现手段上划分有λ/4阻抗变换器法、支节调配法。
(1) λ/4阻抗变换器匹配方法此处接λ/4阻抗变换器lR Z Z 001=Z Z =0in电容性负载Z 0若是l 1λ/401Z Z =电感性负载又如何?Z 0Z 0Z 01ρR x =Z 0/ρZ i n =Z 0(2) 支节调配法(stub tuning)(2)(i)支节调配器是由距离负载的某固定位置上的并联或串联终端短路或开路的传输线(称之为支节)构成的。
微波技术传输线阻抗匹配课件
02
卫星通信:微波技术传输线阻抗匹配在卫星通信中的应用将更加深入
03
雷达技术:微波技术传输线阻抗匹配在雷达技术中的应用将更加广泛
04
医疗设备:微波技术传输线阻抗匹配在医疗设备中的应用将更加广泛
微波技术传输线阻抗匹配的挑战和机遇
挑战:微波技术的不断发展, 对传输线阻抗匹配的要求越 来越高
机遇:随着新材料、新技术 的不断涌现,传输线阻抗匹 配的技术水平不断提高
微波技术传输线阻抗匹 配课件
演讲人
目录
01. 微波技术传输线阻抗匹配原 理
02. 微波技术传输线阻抗匹配实 例
03. 微波技术传输线阻抗匹配实 验
04. 微波技术传输线阻抗匹配发 展趋势
微波技术传输线 阻抗匹配原理
传输线阻抗匹配的重要性
01
保证信号传输的稳定 性:阻抗匹配可以降 低信号传输过程中的 损耗和反射,提高信
阻抗匹配的目的是使信号在传输过 程中损失最小,提高传输效率。
阻抗匹配的方法包括串联、并联、 变压器等。
阻抗匹配的应用包括天线、电缆、 电路板等。
阻抗匹配的方法
串联匹配:通过串联电感或电容, 使传输线阻抗与负载阻抗匹配
变压器匹配:通过变压器,使传输 线阻抗与负载阻抗匹配
并联匹配:通过并联电感或电容, 使传输线阻抗与负载阻抗匹配
挑战:微波技术的广泛应用, 对传输线阻抗匹配的稳定性 和可靠性提出了更高的要求
机遇:随着微波技术的普及, 传输线阻抗匹配的市场需求 不断扩大,为相关企业提供 了更多的发展机会。
谢谢
06
设定实验参数:设 定信号源的频率、 功率等参数
07
分析实验结果:分 析信号波形的变化, 得出阻抗匹配的效 果和影响因素
微波技术与天线复习知识要点
微波技术与天线复习知识要点绪论●微波的定义:微波是电磁波谱介于超短波与红外线之间的波段,它属于无线电波中波长最短的波段;●微波的频率范围:300MHz~3000GHz ,其对应波长范围是1m~●微波的特点要结合实际应用:似光性,频率高频带宽,穿透性卫星通信,量子特性微波波谱的分析第一章均匀传输线理论●均匀无耗传输线的输入阻抗2个特性定义:传输线上任意一点z处的输入电压和输入电流之比称为传输线的输入阻抗注:均匀无耗传输线上任意一点的输入阻抗与观察点的位置、传输线的特性阻抗、终端负载阻抗、工作频率有关;两个特性:1、λ/2重复性:无耗传输线上任意相距λ/2处的阻抗相同Z in z= Z in z+λ/22、λ/4变换性: Z in z- Z in z+λ/4=Z02证明题:作业题●均匀无耗传输线的三种传输状态要会判断1.行波状态:无反射的传输状态▪匹配负载:负载阻抗等于传输线的特性阻抗▪沿线电压和电流振幅不变▪电压和电流在任意点上同相2.纯驻波状态:全反射状态▪负载阻抗分为短路、开路、纯电抗状态3.行驻波状态:传输线上任意点输入阻抗为复数●传输线的三类匹配状态知道概念▪负载阻抗匹配:是负载阻抗等于传输线的特性阻抗的情形,此时只有从信源到负载的入射波,而无反射波;▪源阻抗匹配:电源的内阻等于传输线的特性阻抗时,电源和传输线是匹配的,这种电源称之为匹配电源;此时,信号源端无反射;▪共轭阻抗匹配:对于不匹配电源,当负载阻抗折合到电源参考面上的输入阻抗为电源内阻抗的共轭值时,即当Z in=Z g﹡时,负载能得到最大功率值;共轭匹配的目的就是使负载得到最大功率;●传输线的阻抗匹配λ/4阻抗变换P15和P17●阻抗圆图的应用与实验结合史密斯圆图是用来分析传输线匹配问题的有效方法;1.反射系数圆图:Γz=|Γ1|e jΦ1-2βz= |Γ1|e jΦΦ1为终端反射系数的幅度,Φ=Φ1-2βz是z处反射系数的幅角;反射系数圆图中任一点与圆心的连线的长度就是与该点相应的传输线上某点处的反射系数的大小;2.阻抗原图点、线、面、旋转方向:➢在阻抗圆图的上半圆内的电抗x>0呈感性,下半圆内的电抗x<0呈容性;➢实轴上的点代表纯电阻点,左半轴上的点为电压波节点,其上的刻度既代表r min又代表行波系数K,右半轴上的点为电压波腹点,其上的刻度既代表r max又代表驻波比ρ;➢|Γ|=1的圆图上的点代表纯电抗点;➢实轴左端点为短路点,右端点为开路点,中心点处是匹配点;➢在传输线上由负载向电源方向移动时,在圆图上应顺时针旋转,;反之,由电源向负载方向移动时,应逆时针旋转;3.史密斯圆图:将上述的反射系数圆图、归一化电阻圆图和归一化电抗圆图画在一起,就构成了完整的阻抗圆图;4.基本思想:➢特征参数归一阻抗归一和电长度归一;➢以系统不变量|Γ|作为史密斯圆图的基底;➢把阻抗或导纳、驻波比关系套覆在|Γ|圆上;●回波损耗、功率分配等问题的分析✓回波损耗问题:1.定义为入射波功率与反射波功率之比通常以分贝来表示,即Lrz=10lgP in/Pr dB对于无耗传输线,ɑ=0,Lr与z无关,即Lrz=-20lg|Γ1| dB2.插入损耗:定义为入射波功率与传输功率之比3.|Γ1|越大,则| Lr |越小;|Γ1|越小,则| L in|越大;P21:有关回波损耗的例题例1-4✓功率分配问题:1.入射波功率、反射波功率和传输功率计算公式反映出了它们之间的分配关系;P192.传输线的传输效率:η=负载吸收功率/始端传输功率3.传输效率取决于传输线的损耗和终端匹配情况第二章规则金属波导●导波系统中的电磁波按纵向场分量的有无,可分为TE波、TM波和TEM波三种类型;知道概念➢TEM波:导行波既无纵向磁场有无纵向电场,只有横向电场和磁场,故称为横电磁波;E z=0而H z=0➢TM波E波:只有纵向电场,又称磁场纯横向波;E z≠0而H z=0➢TE波H波:只有纵向磁场,又称电场纯横向波;E z=0而H z≠0●导行条件:k c<k时,f>f c为导行波;●矩形波导、圆波导主要模式的特点及应用✧矩形波导:将由金属材料制成的、矩形截面的、内充空气的规则金属波导称为矩形波导;1)纵向场分量E z和H z不能同时为零,不存在TEM波;2)TE波:横向的电波,纵向场只有磁场;➢TE波的截止波数k c,➢矩形波导中可以存在无穷多种TE导模,用TE mn表示;➢最低次波形为TE10,截止频率最低;3)TM波➢TM11模是矩形波导TM波的最低次模,其他均为高次模;4)主模TE10的场分布及其工作特性➢主模的定义:在导行波中截止波长最长截止频率最低的导行模➢特点:场结构简单、稳定、频带宽和损耗小等;✧圆波导:若将同轴线的内导体抽走,则在一定条件下,由外导体所包围的圆形空间也能传输电磁能量,这就是圆形波导;➢应用:远距离通信、双极化馈线以及微波圆形谐振器等;➢圆形波导也只能传输TE和TM波形;➢主模TE11,截止波长最长,是圆波导中的最低次模;圆波导中TE11模的场分布与矩形波导的TE10模的场分布很相似,因此工程上容易通过矩形波导的横截面逐渐过渡变为圆波导;即构成方圆波导变换器;➢圆对称TM01模:圆波导的第一个高次模,由于它具有圆对称性故不存在极化简并模;因此常作为雷达天线与馈线的旋转关节中的工作模式;➢低损耗的TE01模:是圆波导的高次模式,它与TM11模是简并模;它是圆对称模,故无极化简并;当传输功率一定时,随着频率升高,管壁的热损耗将单调下降;故其损耗相对于其他模式来说是低的,故可将工作在此模式下的圆波导用于毫米波的远距离传输或制作高Q值的谐振腔;●熟悉模式简并概念及其区别1.矩形波导中的E-H简并:对相同的m和n,TE mn和TM mn模具有相同的截止波长或相同的截止频率;虽然它们的场分布不同,但是具有相同的传输特性;2.圆波导中有两种简并模:➢E-H简并:TE0n模和TM1n模的简并➢极化简并模:考虑到圆波导的轴对称性,因此场的极化方向具有不确定性,使导行波的场分布在φ方向存在cosmφ和sinmφ两种可能的分布,它们独立存在,相互正交,截止波长相同,构成同一导行模的极化简并模;●熟悉矩形波导壁电流分布及应用●波导激励的几种类型1.电激励2.磁激励3.电流激励●方圆波导转换器的作用圆波导中TE11模的场分布与矩形波导的TE10模的场分布很相似,因此工程上容易通过矩形波导的横截面逐渐过渡变为圆波导;即构成方圆波导变换器;第三章微波集成传输线●带状线、微带线的结构及特点1.带状线:➢是由同轴线演化而来的,即将同轴线的外导体对半分开后,再将两半外导体向左右展平,并将内导体制成扁平带线;➢主要传输的是TEM波;可存在高次模;➢用途:替代同轴线制作高性能的无源元件;➢特点:宽频带、高Q值、高隔离度➢缺点:不宜做有源微波电路;2.微带线:➢是由双导体传输线演化而来的,即将无限薄的导体板垂直插入双导体中间,再将导体圆柱变换成导体带,并在导体带之间加入介质材料,从而构成了微带线;微带线是半开放结构;➢工作模式:准TEM波●带状线、微带线特征参数的计算会查图➢带状线和微带线的传输特性参量主要有:特性阻抗Z0、衰减常数ɑ、相速v p和波导波长λg ●介质波导主模及其特点➢主模HE11模的优点:a)不具有截止波长;b)损耗较小;c)可直接由矩形波导的主模TE10激励;第四章微波网络基础●熟练掌握阻抗参量、导纳参量、转移参量、散射参量结合元件特性和传输参量的定义P84-P93➢阻抗矩阵Z➢导纳矩阵Y➢转移矩阵A➢散射矩阵S➢传输矩阵T●掌握微波网络思想在微波测量中的应用三点法的条件➢前提条件:令终端短路、开路和接匹配负载时,测得的输入端的反射系数分别为Γs,Γo和Γm,从而可以求出S11, S12, S22;第五章微波元器件●匹配负载螺钉调配器原理、失配负载;衰减器、移相器作用➢匹配负载作用:消除反射,提高传输效率,改善系统稳定性;➢螺钉调配器:螺钉是低功率微波装置中普遍采用的调谐和匹配原件,它是在波导宽边中央插入可调螺钉作为调配原件;螺钉深度不同等效为不同的电抗原件,使用时为了避免波导短路击穿,螺钉·都设计成为了容性,即螺钉旋入波导中的深度应小于3b/4b为波导窄边尺寸;➢失配负载:既吸收一部分微波功率又反射一部分微波功率,而且一般制成一定大小驻波的标准失配负载,主要用于微波测量;➢衰减器,移相器作用:改变导行系统中电磁波的幅度和相位;●了解定向耦合器的工作原理P106➢定向耦合器是一种具有定向传输特性的四端口元件,它是由耦合装置联系在一起的两对传输系统构成的;➢利用波程差;●熟练掌握线圆极化转换器的工作原理及作用●了解场移式隔离器的作用P122➢根据铁氧体对两个方向传输的波型产生的场移作用不同而制成的;●了解铁氧体环行器的分析及作用P123➢环行器是一种具有非互易特性的分支传输系统;第六章天线辐射与接收的基本理论第七章电波传播概论●天波通信、地波通信、视距波通信的概念1.天波通信:指自发射天线发出的电波在高空被电离层反射后到达接收点的传播方式,也成为电离层电波传播;主要用于中波和短波波段2.地波通信:无线电波沿地球表面传播的传播方式;主要用于长、中波波段和短波的低频段;3.视距波通信:指发射天线和接收天线处于相互能看见的视距距离内的传播方式;地面通信、卫星通信以及雷达等都可以采用这种传播方式;主要用于超短波和微波波段的电波传播●天线的作用●无线电波传输是产生失真的原因无线电波通过煤质除产生传输损耗外,还会使信号产生失真——振幅失真和相位失真两个原因:1.煤质的色散效应:色散效应是由于不同频率的无线电波在煤质中的传播速度有差别而引起的信号失真;2.随机多径传输效应:会引起信号畸变;因为无线电波在传输时通过两个以上不同长度的路径到达接收点;接收天线收到的信号是几个不同路径传来的电场强度之和;。
传输线与阻抗匹配
传输线与阻抗匹配
一.
阻抗匹配
○
阻抗的定义
○
常见阻抗匹配的方式
二.
常见传输线
○
单端传输线
○
差分传输线
○
微带线
○
带状线
01 单击此处添加标题
02 单击此处添加标题
阻抗定义
传输线可分为长线和 短线,长线和短线是 相对于波长而言的。
短线:l / < 0.05, 集中参数电路
长线:l /
0.05,
对周期性的信号有效(如时钟),不适 合于非周期信号(如数据)。
常见的阻抗匹配方式
肖特基二极管终端匹配技术
肖特基二极管终端匹配技术也称之为二极管 终端匹配技术,由两个肖特基二极管组成。 传输线末端的信号反射,导致负载输入端上 的电压升高超过VCC 和二极管D1 的正向偏 值电压,使得该二极管正向导通连接到VCC 上,从而将信号的过冲嵌位在VCC 和二极管 的阈值电压上。同样,连接到地上的二极管 D2 也可以将信号的下冲限制在二极管的正 向偏置电压上。
图3 串联终端匹配
常见的阻抗匹配方式
1、匹配电阻选择原则,Z0=RT+ZS。
2、常见的COMS和TTL驱动器,其输出阻抗会随信号的电平大小变化而变
化。因此,对TTL或CMOS电路来说,不可能有十分正确的匹配电阻,只 能折中考
虑。负载必须接到传输线的末端。
3、串联匹配是最常用的终端匹配方法。它的优点是功耗小,不会给驱动 器带来
阻抗定义
图2 阻抗计算
传输线方程是传输 线理论的基本方程, 是描述传输线上电 压、电流变化规律 及其相互关系的微 分方程。
常见的阻抗 匹配方式
阻抗匹配是指信号源或者传输线跟负载之间的一 种合适的搭配方式。
第1章均匀传输线理论详解
第1章
1.1 1.2 1.3 1.4
均匀传输线理论
均匀传输线方程及其解 传输线阻抗与状态参量 无耗传输线的状态分析 传输线的传输功率、 效率与损耗
1.5
1.6 1.7
阻抗匹配
史密斯圆图及其应用 同轴线的特性阻抗
习
题
第1章 均匀传输线理论
传输线
电路:导线
e.g.50Hz交流电电线
无纵向电磁场分量的电磁波称为横电磁波,即TEM
波,TEM波只能够存在于双导体或多导体中。
另外, 传输线本身的不连续性可以构成各种形式的
微波无源元器件 , 这些元器件和均匀传输线、 有源
元器件及天线一起构成微波系统。
第1章 均匀传输线理论
一、传输线的种类
1、双导体传输线(TEM波传输线): 它由两根或两根以上平行导体构成 , 因其传输的电 磁波是横电磁波( TEM 波)或准 TEM 波 , 故又称为 TEM波传输线。
dU ( z ) Z I ( z) dz
dI ( z ) Y U ( z ) dz
移相
dU 2 ( z ) dI ( z ) Z Z Y U ( z ) 2 dz dz
dI 2 ( z ) Z Y I ( z) 0 2 dz
dI 2 ( z ) dU ( z ) Y Y Z I ( z) 2 dz dz
从微分的角度,对很小的Δz, 忽略高阶小量,有: u ( z , t ) u ( z z , t ) u ( z , t ) z z i ( z , t ) i ( z z , t ) i ( z , t ) z z 从电路角度,应用基尔霍夫定律,可得: i ( z , t ) u(z, t)+R﹒Δz﹒i(z, t)+ L z - u(z+Δz, t)=0 t u( z z, t ) i(z, t)+G﹒Δz﹒u(z+Δz, t)+ C﹒Δz﹒ -i(z+Δz, t)=0
传输线理论阻抗匹配
2. 串联单支节公式:
BL
t
tg
d
BL
2Y0
GL Y0
Y0
GL
2
BL2
GL Y0
GL Y0 GL Y0
d的两个主要解为:
d
d
1
2
1
2
arctgt t
+arctgt
0
t
0
Z0
Z 1/Y Z0
ZL
Z0
l
短路或 开路
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28
短路支节:lsc
1
2
arctg
(3.3)
假定信号源阻抗是固定的,考虑以下三种负载阻抗情况:
负载与传输线匹配(ZL= Z0)
传给负载传输的功率
ГL=0
P
1 2
EG
2
Z0
Z0
RG 2 XG 2
(3.4)
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6
信号源与端接传输线匹配(Zin= ZG) Гin=0
传给负载传输的功率
P 1 2
EG 2 4
RG
RG2
yL
负载匹配,加+j 0.3
归一化导纳落在
zL
1 j圆b周上
归一化导纳 y 0.4 j0.5
z 1 j1.2
阻抗 z 1 j1.2 要落在归一化阻抗圆周上 1 jx
串联电抗 x j1.2
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14
由此得到相应的元件值为:
C b 0.92pF;
2 fZ0
C 1 2.61pF;
Zin
Z
* G
假定信号源的内阻抗为固定,可改变输入阻抗Zin使送 到负载的功率最大。
微波技术传输线的阻抗匹配ppt课件
本章小结
1. 微波传输线是一维分布参数电路。传输线可用于 传输微波信号能量及构成各种微波元器件。
2. 传输线方程可由传输线的等效电路导出,它是传
输线理论中的基本方程。
均匀无耗传输线方程:
d
2U( dz 2
z)
2
U(
z)
0
d
2
I( z
)
dz2
2
I(z)
0
其通解为(以终端为坐标原点):
U(z)
(5)阻抗匹配可提高传输线的功率容量(
Pbr
1 2
Ubr Z0
2
K
)。
1
2. 阻抗匹配问题
1). 共轭匹配
目的:使信号源的功率输出最大。
条件:
Zin
Z
* g
( Rin Rg , Xin X g )
满足共轭匹配条件的信号源输出的最大功率为:
2
Pmax
Eg
Rin
2
Zg Zin
2
Eg
4Rg
2
`.
10
2. 支节调配器
支节调配器是在距终端负载的某一处并联或串联短
路或开路支节。有单支节、双支节或多支节匹配器,常
用并联调配支节。 1). 单支节匹配器 并联单支节匹配器是在距
Y~in
d
~ Y~0
Y~2 Y~1 Y~0
Y~L
负载 d 处并联长度为 l 的短路
Y~0
支节,利用调节 d 和 l 来实现
线、带状线等传输
线十分不便,解决
的办法是采用双支
节匹配器。
~l ~l
~l~E lF
0.25 0.25
~ lF B~ F
传输线理论基础知识..
根据复数值与瞬时值的关系并假设A1、A2为实数,则沿线电压的瞬时 值为
现在研究行波状态下电压和电流的沿线变化情况。为讨论方便,距离 变量仍然从始端算起,由于U2 − Z0 I0 =0,A2=0,U r(z) =0。考虑到γ =α + jβ ,因此公式(2-14)和(2-15)简化为:
( 2)工作频带要宽,以增加传输信息容量和保证信号的无 畸变传输; (3)在大功率系统中,要求传输功率容量要大; (4)尺寸要小,重量要轻,以及能便于生产和安装。 (为了满足上述要求,在不同的工作条件下,需采用不同型式 的传输线。在低频时,普通的双根导线就可以完成传输作用,但是, 随着工作频率的升高 , 由于导线的趋肤效应和辐射效应的增大使 它的正常工作被破坏 .因此,在高频和微波波段必须采用与低频时 完全不同的传输线形式)
解得:
将上式代入式(2-6)第一式和式(2-7),注意到l − z = z′ ,并整理求得
2.2.2 已知均匀传输线始端电压U1和始端电流I1
将z=0、U(0)=U1 、I(0)=I1代入式(2-6)第一式和式(2-7)便可 求得
将上式代入式(2-6)和式(2-7),即可得
2.3 均匀传输线入射波和反射波的叠加
几种典型传输线的分布参数计算公式列于表1-1中。 表中μ0、ε分别为对称线周围介质的磁导率和介电常数。
有了分布参数的概念,我们可以将均匀传输线分割成许 多微分段dz(dz<<λ),这样每个微分段可看作集中参数电 路。其集中参数分别为R1dz、G1dz、L1dz及C1dz,其等效电 路为一个Γ型网络如图1-1(a)所示。整个传输线的等效电路 是无限多的Γ型网络的级联,如图1-1(b)所示。
传输线与阻抗匹配PPT26页
66、节制使快乐增加并使享受加强。 ——德 谟克利 特 67、今天应做的事没有做,明天再早也 是耽误 了。——裴斯 泰洛齐 68、决定一个人的一生,以及整个命运 的,只 是一瞬 之间。 ——歌 德 69、懒人无法享受休息之乐。——拉布 克 70、浪费时间是一桩大罪过。——卢梭
传输线与阻抗匹配
16、人民应该为法律而战斗,就像为 了城墙 而战斗 一样。 ——赫 拉克利 特 17、人类对于不公正的行为加以指责 ,并非 因为他 们愿意 做出这 种行为 ,而是 惟恐自 己会成 为这种 行为的 牺牲者 。—— 柏拉图 18、制定法律法令,就是为了不让强 者做什 么事都 横行霸 道。— —奥维 德 19、法律是社会的习惯和思想的结晶 。—— 托·伍·威尔逊 20、人们嘴上挂着的法律,其真实含 义是财 富。— —爱献 生
传输线理论与阻抗匹配
¾ 在z=0處⇒
ZL − Z0 V (0) V f + Vr V f + Vr ZL = Z 0 ⇒ Vr = = = Vf I (0) I f − I r V f − Vr ZL + Z0
Microwave & Communication Lab.
13
有終端負載的傳輸線
Vr Z L − Z 0 ~ z −1 Γ(0) = = = ~L Vf Z L + Z0 zL + 1 ZL ~ 式中 z L = =標準化負載。 Z0
12
Microwave & Communication Lab.
有終端負載的傳輸線
V(z), I(z) Z0, β l V ( z ) = V f e −γz + Vr e γz VL ZL
−
+
IL
z
0
I ( z) = I f e
−γz
− Ire =
γz
Vf Z0
e
−γz
Vr γz − e Z0
當相位 e j (θ − 2 βl ) = 1 時,電壓為最大值 Vmax = V f (1 + Γ ) 當相位 e j (θ − 2 βl ) = −1時,電壓為最小值 Vmin = V f (1 − Γ ) 若為無損耗之傳輸線,在z =-l 處往負載端看之輸入阻抗 jβl − jβl 為 V (−l ) V f e + Γe 1 + Γe −2 jβl Z in = = Z0 = Z0 jβl − jβl − 2 jβl I (−l ) V f e − Γe 1 − Γe 將反射係數Γ代入 Z cos βl + jZ 0 sin βl Z + jZ 0 tan βl Z in = Z 0 L = Z0 L Z 0 cos βl + jZ L sin βl Z 0 + jZ L tan βl
第1章 传输线理论和阻抗匹配
• 1.1 • 1.2 • 1.3 • 1.4 • 1.5 • 1.6 • 1.7 • 1.8 • 1.9 传输线的构成 传输线等效电路表示法 传输线方程及其解 传输线的基本特性参数 均匀无耗传输线的工作状态 信号源的功率传输和有载传输 阻抗和导纳(SMITH)圆图 阻抗匹配与调谐 有耗传输线
V1 I1Z 0 2 V I Z A2 1 1 0 2 A1
则均匀无耗传输线方程的解为
V1 I 1 Z 0 jz V1 I 1 Z 0 jz V z e e 2 2 V1 I 1 Z 0 jz V1 I 1 Z 0 jz I z e e 2Z 0 2Z 0
•
传输线上各点的电压和电流(或电场和磁 场)不相同,可以从传输线的等效电路得到解 释,这就是传输线的分布参数概念。 • 分布参数是相对于集总参数而言的。 • 传输线理论是分布参数电路理论,认为分 布电阻、分布电感、分布电容和分布电导这4 个分布参数存在于传输线的所有位置上。 • 随着频率的增高,分布参数引起的阻抗效 应增大,不能再忽略了。
举 例
• TEM波传输线上电磁波的相速度为 vp f
• f 是工作频率, 是传输线上电磁波的波长。 • 例如,对于带状线,当射频频率是1GHz,两 接地导体板间介质的 r =9.5时,带状线是长线 还是短线?分析: vp c 3 1010 9.73cm 9 f r f 9.5 110 • 波长与带状线的尺寸差不多,用长线理论分析。
• 其中,A1 和 A2 为待定常数,由边界条件确定。
•
R 阻抗。
1.3.3 均匀无耗传输线方程的解 上述解适用于一般传输线,包括损耗的影响, 故得出的传播常数和特性阻抗均为复数。但在 很多实际情况下,传输线的损耗很小,可以忽 略,从而使上述结果可以简化。设(1.5)式中 的R=G=0, 则传播常数为
射频调制第一章传输线变压器阻抗变换
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当传输线上同时存在行波和驻波时,称为行驻波状态。此时,传输线上 各点的电压和电流幅度和相位都呈现周期性变化。
02
变压器基本原理与分类
变压器工作原理简介
电磁感应原理
变压器利用电磁感应原理,通过交变磁场实现电能传输和电压变换。当原边绕组 通以交流电流时,产生交变磁通,从而在副边绕组中感应出电动势,实现电压的 变换。
无限大与有限大
理想变压器假设原边和副边的电感都是无限大,而 实际变压器的电感是有限的,这会导致变压器的电 压变换比和效率受到频率的影响。
03
阻抗变换技术及应用
阻抗匹配概念及意义
阻抗匹配定义
阻抗匹配是指负载阻抗与激励源 内部阻抗互相适配,得到最大功 率输出的一种工作状态。
阻抗匹配意义
在射频调制中,阻抗匹配对于提 高信号传输效率、降低信号反射 和损耗具有重要意义。
射频调制第一章传输线变压器 阻抗变换
目
CONTENCT
录
• 传输线基本理论 • 变压器基本原理与分类 • 阻抗变换技术及应用 • 传输线变压器设计与实现 • 射频调制系统性能评估 • 总结与展望
01
传输线基本理论
传输线方程及其解
传输线方程
描述传输线上电压和电流变化规律的方程,包括波动方程和电报 方程。
04
传输线变压器设计与实现
设计目标与方法
设计目标
实现高效率、宽频带、低损耗的传输 线变压器,满足射频调制系统的要求 。
设计方法
采用传输线理论、电磁场理论和电路 仿真技术,进行传输线变压器的设计 。
关键参数选择与优化
关键参数
传输线特性阻抗、耦合系数、工作频 率、带宽等。
阻抗匹配
λ λ φl ± 4π 4此处为第一 波节点微波工程基础
11
第一章 均匀传输线理论之•阻抗匹配
(c)多支节调配 多支节调配(multiple-stub tuning) 多支节调配
单支节匹配的主要缺点是它仅能实现在点频上匹配, 单支节匹配的主要缺点是它仅能实现在点频上匹配, 要展宽频带,可采用多支节结构来实现。 要展宽频带,可采用多支节结构来实现。
l1′ =
λ φL 4π
此处为第一 波腹点
10
第一章 均匀传输线理论之•阻抗匹配
(b) 并联单支节调配器 并联单支节调配器
A
Y0 Y0
l '1
Y0
B
lmin1
B′
l min 1 =
l1′ =
A′
此处输入导纳应 等于特性导纳
l2
1 λ arctan 2π ρ 1− ρ λ λ l2 = − arctan 4 2π ρ
所需阻抗: 所需阻抗:最大增益匹配 最小噪声系数匹配 最大输出功率匹配 等等
微波工程基础
2
第一章 均匀传输线理论之•阻抗匹配
1. 三种匹配 三种匹配(impedance matching)
入射波 反射波 Zg Z0 Zl
(1) 负载阻抗匹配:负载阻抗等于传输线的特性阻抗。 负载阻抗匹配:负载阻抗等于传输线的特性阻抗。 此时传输线上只有从信源到负载的入射波,而无反射波。 此时传输线上只有从信源到负载的入射波,而无反射波。 (2) 源阻抗匹配:电源的内阻等于传输线的特性阻抗。 源阻抗匹配:电源的内阻等于传输线的特性阻抗。 对匹配源来说,它给传输线的入射功率是不随负载变化的, 对匹配源来说,它给传输线的入射功率是不随负载变化的, 负载有反射时,反射回来的反射波被电源吸收。 负载有反射时,反射回来的反射波被电源吸收。
电磁场与微波技术第4章1-2传输线理论
= - (Gl + jwCl )V (z)= - YV (z ) l
dV (z ) = - Z l I (z )
(Rl+jωLl)∆z
即
dz dI (z ) dz
= - YlV (z )
式中
移项
dz d 2 I (z ) dz
2
2
= - Yl
定义电压传播常数: 定义电压传播常数:
γ = Zl Yl =
(Rl + jωLl )(Gl + jωCl )
§1.1 传输线方程
则方程变为: 则方程变为:
d 2V ( z ) − γ 2V ( z ) = 0 dz 2 d 2 I (z ) − γ 2 I (z ) = 0 dz 2
∂v ( z , t ) ∂i( z , t ) = − Rl i( z, t ) − Ll ∂z ∂t ∂i( z , t ) ∂v( z, t ) = −G l v( z, t ) − C l ∂z ∂t
§1.1 传输线方程
2)时谐均匀传输线方程 )
a)时谐传输线方程 ) 电压和电流随时间作正弦变化或时谐变化, 电压和电流随时间作正弦变化或时谐变化,则 电压电流的瞬时值可用复数来表示: 电压电流的瞬时值可用复数来表示:
1 I ( z) = (A1e- g z - A2 eg z ) Z0
V + = A1 e I
+ gz
1 = A1 e Z0
gz
e
gz
表示向-z方向传播的波,即 表示向 方向传播的波, 方向传播的波 自负载到源方向的反射波, 表示。 用V-或I -表示。 ?
第一章 传输线理论
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。
RFID原理与技术期末考试题库
RFID原理与技术期末考试题库RFID原理与技术期末考试题库第⼀章传输线理论⼀、填空题1.根据基尔霍夫电压定律得到的⽅程中,ΔZ表⽰什么含义:因为⽅程中的量都是分布量,所以需要乘上长度ΔZ。
2.⼀般传输线⽅程的通解是,阻抗、导纳的含义是什么阻抗:在具有电阻、电感和电容的电路⾥,对电路中的电流所起的阻碍作⽤叫做阻抗。
导纳:⽤来描述交流电通过电路或系统时的困难程度。
根据基尔霍夫电压定律和电流定律写出⼀般传输线⽅程通解的推导电压定律:(1)电流定律:(2)(1) 式两端对Z 求导,并利⽤ (2) 得:同理,(2) 式两边对Z 求导,并利⽤ (1) 得:解(3)、(4) 得第⼆章天线基础⼀、填空题1. 串联正弦交流电路发⽣谐振的条件是(UL = UC ,即XL = XC ),谐振时的谐振频率品质因数Q=(XL/R ),串联谐振⼜称为(电压谐振)。
2. 在发⽣串联谐振时,电路中的感抗与容抗(相等),此时电路中的阻抗最(⼩),电流最(⼤),总阻抗Z= (R )。
3. 在⼀RLC 串联正弦交流电中,⽤电压表测得电阻、电感、电容上电压均为10V ,⽤电流表测得电流为10A ,此电路中R= (1欧),P= (100w ),Q= (0var ),S= (100VA )。
4.谐振发⽣时,电路中的⾓频率w0 =(1/),f0 =(1/2)。
第三章天线基础⼀、选择题1.半波振⼦天线的长度为(A )A、λ/4B、3λ/4C、λ/2D、λ2.在弯折线偶极⼦天线中,当天线弯折次数n增多、弯折⾼度h增加或者弯折⾓а增⼤后,天线的谐振频率(C )A、不变B、增⼤C、降低D、不能确定【解析】随着折弯次数n的增⼤,由于臂长不变,则天线长度增⼤,波长也随之增⼤,因此谐振频率减⼩⼆、填空题5..已知天线的辐射功率为P∑=30W,且损耗功率为PL=5W。
则天线输⼊功率:30+5=35w;效率:30÷35≈0.857。
6.⽤天线的辐射电阻P∑来度量天线辐射功率的能⼒,即辐射电阻越⼤天线的辐射能⼒越强。
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TE或TM传输线高频能量损耗小,功率容量大, 但体积大,频带窄。
2. 传输线的机械性能
• 传输线的机械性能包括物理尺寸、制 作难易度、与其他元器件相集成的难易 度等指标。
• 出于上述机械性能的考虑,传输线有 平面化趋势。
• 波长与带状线的尺寸差不多,用长线理论分析。
• 传输线属长线,沿线各点的电压和电流 (或电场和磁场)既随时间变化,又随空间位 置变化,是时间和空间的函数,传输线上电压 和电流呈现出了波动性,所以长线用传输线理 论来分析。
• 传输线理论是对长线而言的,用来分析传 输线上电压和电流的分布,以及传输线上阻抗 的变化规律。在射频频段,必须使用传输线理 论取代电路理论。传输线理论是电路理论与电 磁场波动理论的结合,传输线理论可以认为是 电路理论的扩展,也可以认为是电磁场波动方 程的解。
L C
(1.9)
Z 0与频率无关。
波长为
= 2 = 2 LC
(1.10)
相速为
p=
=1
/
LC
(1.11)
对于均匀无耗传输线方程,(1.6)的通解变为
V z A1e jz A2e jz
I z
1 Z0
A1e jz
A2e jz
d 2V(z) 2V(z) 0
dz2
d
2I (z) dz2
2
I
(z)
0
(1.4a) (1.4b)
式中
j (R jL)(G jC) (1.5)
为传输线上波的传播常数,并且是频率的函数。一般情况下,
为复数,其实部 称为衰减常数,虚部β称为相移常数。
• 传输线上各点的电压和电流(或电场和磁 场)不相同,可以从传输线的等效电路得到解 释,这就是传输线的分布参数概念。
• 分布参数是相对于集总参数而言的。
• 传输线理论是分布参数电路理论,认为分 布电阻、分布电感、分布电容和分布电导这4 个分布参数存在于传输线的所有位置上。
• 随着频率的增高,分布参数引起的阻抗效 应增大,不能再忽略了。
z
t
i(z,t) G (z,t) C (z,t)
z
t
(1.2)
传输线方程(电报方程)
式中,v 和 i 既是位置(距离 z)的函数,又是时间 t 的函数
考虑电压电流瞬时值随 t 做简谐振荡, v(z,t) Re[V(z)e jt ]
i(z,t) Re[I(z)e jt ]
TEM波传输线
• 常用的TEM波传输线有平行双导线、同轴线、带 状线和微带线(传输准TEM波)等,属于双(多) 导体传输线,如图所示。
TEM波传输线
平行双导线
同轴线
带状线
常用TEM波传输线
微带线
TE波、TM波传输线
• 常用的TE波、TM波传输线,属于单导体传输线, 如:金属波导、介质波导。
(1)金属波导: 矩形波导
传输线的等效电路
1.3 传输线方程及其解
1.3.1 均匀传输线方程
• 传输线方程是研究传输线上电压、电 流的变化规律,以及它们之间相互关系的 方程。
• 对于均匀传输线,由于分布参数是沿 线均匀分布的,所以只需考虑线元dz的情 况。
图1.2 传输线上电压和电流的定义及其等效电路
应用克希霍夫电压和电流定律,得:
(1.12)
• A1e-jβz表示向+z方向传播的行波,A2ejβz表示向-z 方向传播的行波,传输线上电压的解呈现出波 动性。
• 下面由边界条件确定常数A1和A2。
• 如图所示,传输线的边界条件通常有二种,一 种是已知传输线终端电压V2和终端电流I2;另 一种是已知传输线始端电压V1和始端电流I1。 分别加以讨论。
• 1. 平行双导线 • 2. 同轴线 • 3. 带状线和微带线
•
平行双导线
•
同轴线
•
带状线
•
微带线
1.2 传输线等效电路表示法
1.2.1 长线
• 传输线理论是长线理论。传输线是长线还 是短线,取决于传输线的电长度而不是它的几 何长度。
• 电长度定义为传输线的几何长度l与其上工 作波长λ的比值。当传输线的几何长度l比其上 所传输信号的工作波长λ还长或者可以相比拟 时,传输线称为长线;反之则可称为短线。
由边界条件确定待定常数
1. 已知传输线终端电压V2和终端电流I2
这是一种最常用的情况。将z=l, V(l)=V2, I(l)=I2 代入式
(1.12),得到
A1
V2
I2Z0 2
e jl
A2
V2
I2Z0 2
e jl
令 z l z ,则均匀无耗传输线方程的解为
其中 V(z)和 I(z)为传输线z处电压电流的复有效值 (振幅)。
上式可简化为:
dV(z) (R jL)I (z)
dz
dI (z) (G jC)V (z)
dz
(1.3a) (1.3b)
1.3.2 传输线方程的解
同时求解(1.3)式两个方程,对其两边再微
分一次,给出V(z)和I(z)的波动方程为:
第一章 传输线理论和阻抗匹配
• 1.1 传输线的构成 • 1.2 传输线等效电路表示法 • 1.3 传输线方程及其解 • 1.4 传输线的基本特性参数 • 1.5 均匀无耗传输线的工作状态 • 1.6 信号源的功率传输和有载传输 • 1.7 阻抗和导纳(SMITH)圆图 • 1.8 阻抗匹配与调谐 • 1.9 有耗传输线
z
V1
I1Z0 2
e jz
V1
I1Z0 2
e
jz
I
z
V1
I1Z0
e jz
V1
I1Z0
e jz
2Z0
2Z0
(1.14)
• 对于均匀无耗传输线,电压电流瞬时值的表达式:
v(z,t) Re[V(z)e jt ]
= Re[( A1e j z A2e j z )e jt ]
• 长线和短线是相对的概念,在射频电路中, 传输线的几何长度有时只不过几厘米,但因为 这个长度已经大于工作波长或与工作波长差不 多,仍称它为长线;相反地,输送市电的电力 线,即使几何长度为几千米,但与市电的波长 (6000km)相比,还是小许多,所以还是 只能看作是短线。
• 电路理论与传输线理论的区别,主要在于 电路尺寸与波长的关系。电路分析中网络与线 路的尺寸比工作波长小很多,因此可以不考虑 沿线各点电压和电流的幅度和相位变化,沿线 电压和电流只与时间因子有关,与空间位置无 关,这符合基础电路理论。
(2)介质波导:
圆波导
脊波导
椭圆波导
TEM波、TE/TM波传输线特点
(1)射频电路的传输线上只传输TEM波或准TEM 波。特点: • TEM传输线无色散。(色散:电磁波的传输速 率与频率有关)。 • TEM传输线的工作频带较宽,0~几GHz。 • TEM传输线的功率容量和损耗应能满足射频设 计要求。 • 但TEM传输线高频能量损耗大。
(z,t) Rdz i(z,t) Ldz i(z,t) (z dz,t) 0
t
i(z,t) Gdz (z,t) Cdz (z,t) i(z dz,t) 0
t
(1.1)
将dz除两边,并取极限dz 0,得
(z,t) R i(z,t) L i(z,t)
=A1 cos(t z) A2 cos(t z)
=vi (z,t) vr (z,t)
i(z,t) Re[I(z)e jt ]
入射波 反射波
= Re[( A1 e j z A2 e j z )e jt ]
Z0
Z0
= A1 cos(t z) A2 cos(t z)
1.1 传输线的构成
• 传输线是用以从一处至另一处传输电磁能量的装 置。
• 传输线理论是分布参数电路理论,它在场分析和 基本电路理论之间架起了桥梁。
• 随着工作频率的升高,波长不断减小,当波长可 以与电路的几何尺寸相比拟时,传输线上的电压 和电流将随空间位置而变化,使电压和电流呈现 出波动性,这一点与低频电路完全不同。
• 二阶常微分方程(1.4)的通解可以表示为
V(z) A1e z A2e z
(1.6a)
I (z)
1 Z0
( A1e z
A2e z )
(1.6b)
• 其中,A1 和 A2 为待定常数,由边界条件确定。
•
Z0
R jL G jC
(1.7) 为传输线的特性阻抗。
1.3.3 均匀无耗传输线方程的解
举例
• TEM波传输线上电磁波的相速度为 vp f
• f 是工作频率, 是传输线上电磁波的波长。
• 例如,对于带状线,当射频频率是1GHz,两
接地导体板间介质的 r =9.5时,带状线是长线
还是短线?分析:
vp c 31010 9.73cm f r f 9.5 1109
• 根据传输线上分布参数是否均匀分布, 传输线可分为均匀传输线和不均匀传输 线,这里主要讨论均匀传输线。
• 所谓均匀传输线,是指传输线的几何 尺寸、相对位置、导体材料及导体周围 媒质特性沿电磁波的传输方向不改变的 传输线,即沿线的分布参数是均匀分布 的。
分布参数定义如下。
• 分布电阻R 定义为传输线单位长度上
变成正弦形式
V