北京邮电大学 李秀萍 微波课件2013-1

•强调“概念”和 “理解”
•基本概念 •基本方法：场与路 10/3/2013
13
Outline
传输线理论
• 长线理论 • 传输线的等效电路 • 电报方程
电报方程求解 5个特征参数 端接负载的无耗传输线
10/3/2013
14
传输线理论
10/3/2013
15
传输线定义
• 什Hale Waihona Puke Baidu是“传输线”：
电报方程
10/3/2013 26
– 微波理论、器件 – 微波试验、仪器
10/3/2013
9
微波波段的划分
波段名称
超短波
分米波 厘米波 毫米波 亚毫米波
波长范围
10m~1m
1m~10cm 10cm~1cm 1cm~1mm 1mm~0.1mm
频率范围
30M~300MHz
300M~3GHz 3G~30GHz 30G-300GHz …
10/3/2013
11
课程内容安排
课时(小时) 1 内容
绪论 微波与微波技术 传输线理论(传输线方程) 电报方程以及求解 端接任意负载时传输线的特性； 14 史密斯圆图及其使用 阻抗圆图构成及工程 阻抗圆图应用实例 阻抗匹配：单枝节，双枝节；阻抗 变换：小反射理论；匹配变换器 微波网络理论 微波网络电路参量 微波网络波参量 二端口网络的工作特性与网络连接 信号流图，三端口和四端口网络； 矩形波导简介，圆波导、同轴线以 及微带传输线，微波谐振器 复习+期末考试
微波工程基础
• 李秀萍 教授 • 办公室：明光楼816, Tel: 62282900
• Email: xpli@bupt.edu.cn
10/3/2013
1
Outline
• 绪论 • 传输线理论
• 课件邮寄地址：microwavebupt@gmail.com • 密码：123engineering
10/3/2013
1
2
微波网络理论
实际应用：矩形波导，圆波导，同轴线，微带线，谐振腔， 功分器，耦合器，滤波器
看不见的微波影响全世界(3)
2. 微波的特点与应用
– 天线 – 频率高
• 带宽大，通信容量高 • 对元器件有特殊要求
– 遥感，医学治疗，治疗和加热方法 – WLAN，RFID，UWB……
3. 研究内容(偏重“工程性”)
看不见的微波影响全世界(1)
1. 微波以及发展
• • • • 频率很高(300M~300GHz ，波长：1m~1mm) 电路理论，微波传输线理论 场理论
• 空间中每一点的完整描述
电路理论
• 功率，阻抗，电压和电流等
10/3/2013
6
看不见的微波影响全世界(2)
传输线理论 z Smith圆图，匹配
基尔霍夫第一定律
v ( z , t ) v ( z dz , t ) v ( z , t ) z dz i ( z , t ) i ( z dz , t ) i ( z , t ) z dz
10/3/2013 24
电报方程(四)


微波传输线是传输微波能量和 信息、可用来构成各种微波元件 的电磁装置
10/3/2013
16
传输线的分类
按照传导的模式进行分类
(1)TEM波传输线：双导线、同轴线、微带线…. (双导体)
(2)TE/TM波传输线：“金属波导” ….(单导体)
y
b
0
a
x
z
(3)表面波传输线：“介质波导”(如：光纤)
10/3/2013 17
频段名称
(VHF)
(UHF) (SHF) (EHF) 超极高频
10/3/2013
10
微波波段中的一些“特殊”子波段
•L波段(Band)： 1G~2GHz •S波段： 10厘米波段 •C波段： 5厘米波段 •X波段： •Ku波段： 2厘米波段 •K波段: •Ka波段： 8毫米波段
(2~4GHz) (4~8GHz) (8-12.4GHz) (12.4~18GHz) (18~26.5GHz) (26.5~40GHz)
l D S σ
RDC
l
D •＋
( D 4)σ
2
•＋
•＋
•＋ •D＝0.254mm f=1GHz
• 该导线的直流阻抗仅为0.3281Ω/um，但是在 1GHz它的阻抗为10.5Ω/mm ， 大出32倍多
l R A
21
10/3/2013
电报方程(一)
VS
i
dz z
ZL
i+di
入手：
长线理论(一)
•电路理论和传输线理论差别：电尺寸
“长”/“短”的界定：
l
短线
Z

长线
(1)直流信号:频率为零，波长“无限长”——“直流分析”
(2)低频信号:如交流50Hz，波长在Km量级——“短线” (3)微波频段:传输线长度和波长可以相比拟
10/3/2013
18
长线理论(二)
• 电路理论和传输线理论的区别
10/3/2013 3
无线通信历史总结
1900 1910 1920 1930 1940 1950 1960 1970 1980 1990 2000
电话
广播无线电
• •
• • • •
全面发展 广泛应用
雷达
卫星通信
固体器件、固体集成电路 和固体平面电路,小型化 单位芯片上集成的晶体管数量 将每年翻一番
电尺寸和波长 集总参数 分布参数
“导体的非理想，趋肤效应”——“分 布电阻”R “电流”产生磁场——“分布电感”L 导体间电压——“分布电容”C 导体间非理想介质——“漏电流”—— 分布“并联电导”G
10/3/2013 19
• 信号的电流密度沿导体横界面的径向自外而内呈指数下降 。当信号幅度降低到导体表面处信号幅度值的1/e或36.8% 时的径向临界深度叫趋肤深度或渗透深度，表示为：
•
Scientists from Singapore's Nanyang Technological University (NTU)'s Virtus IC Design Centre of Excellence have announced a new microchip called Virtus (named after the design center) that promises up to 2Gbps wireless data transfers in mobile devices. This will theoretically allow users to transfer 1GB worth of data in under 5s
2
James C. Maxwell
(1831-1879)
Heaviside，Oliver
(1850～1925 )
Heinrich Hertz
(1857-1894)
• 建立了麦克斯韦方程组 • 消除了数学复 杂性 • 创立了经典电动力学 • 建立了系统的 • 预言了电磁波的存在 矢量符号 提出了光的电磁说。
10/3/2013
R: Ω/m L：H/m G：S/m C：F/m
L dz
C dz
0
VS
ZL
v ( z dz ,t ) t
dz z
23
z
电报方程(三)
i ( z , t ) v ( z , t ) ( R dz ) i ( z , t ) t L dz v ( z dz , t ) 0 v ( z dz ,t ) i ( z , t ) (G dz ) v ( z dz , t ) t C dz i ( z dz , t ) 0
10/3/2013
v ( z , t ) z i ( z , t ) z
R i( z, t ) L G v( z, t ) C
i ( z ,t ) t v ( z , t ) t
25
电报方程(五)
dV z dz R j L I z dI z G j C V z dz
1 S fμσ
• 求铜和银作为传导媒质，工作频率为1GHz时的趋肤深度
–铜σ=5.8×107S/m
• 2.1um
–银σ=6.17×107S/m
• 2um
10/3/2013 20
• 对圆导线，交流阻抗RAC由导线直径为D且厚度 等于趋肤深度δs的空心导线的横截面部分决定
RAC
RAC D (0.010in. 0.0254 m in.) 32 6 RDC 4 S 4(2 10 m)
(1)dz<<z时，“集总参数” (2) “路”的分析方法
• 传输线理论——“长线理论”,场分析和基本电路理论之间的桥梁
10/3/2013 22
0
z
电报方程(二)
+
A
i(z,t)
i(z+dz,t)B
R.dz v(z,t)
C
L.dz
+
G.dz
C.dz
v(z+dz,t)
D
-
dz
i ( z ,t ) t
章节/备注 第一章 第三章，课程重点
第四章，课程重点 第四章，课程重点
10
第五章，课程重点
10
9
10/3/2013
第六章
12
4
学习注意事项
•学习：预习、听讲、笔记、复习、作业 •教材、参考书
•微波技术基础 电子工业出版社 2013 •microwavebupt@gmail.com, 密码：engineering •David M.Pozar “MicroWave Engineering” •《电磁场与电磁波》 •闫润卿等 《微波技术基础》第2版 北京理工大学 •李秀萍 《射频与微波工程实践导论》电子工业出 版社，2009.1
卫星遥感
手机
DBS 商用GPS Auto&Highway
个人通信系统 卫星个人通信系统
4
• • • •
2年 1965：30;1978：65000 1989：140万 ;25MHz (i486) 10/3/2013 2002 ：5500万; 3.06GHz
60GHz wireless communication