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1、第 2 章各种形式的微波传输线,2.1概论,2.2平行双线,2.3同轴线,2.4矩形波导,2.5圆形波导,2.6介质波导,2.7微带线,2.8平行耦合微带线,2.9槽线 共面波导 鳍线 基片集成波导,2.10 微波传输线中波的激励与模式转换,第 2 章各种形式的微波传输线,2.5圆形波导(Circular Waveguide),251 圆形波导的传输特性,252 圆形波导中的三个主要模式及其应用,251 圆形波导的传输特性,图 2.5-1圆形波导及其坐标系,TE11(H11)模的截止波长最长,为,TM01(E01)模的截止波长,单模传输条件,1、E-H简并,2、极化简并,TM1n 模和 TE0
2、n 模的截止波长相等，二者可在圆形波导中同时出现。,极化方向互相垂直的同一种模式在圆波导中同时存在。,简并现象：,轴对称的TE0n模和TM0n 模没有极化简并现象。,252 圆形波导中的三个主要模式及其应用,和矩形波导不同，圆形波导除应用最低次模以外，还应用高次模。,常用的三个工作模式: TE11 模、TM01 模和 TE01 模。,利用这三种模式场结构的特点可以构成有特殊用途的波导元件。,1圆形波导中的最低次模 TE11 模,TE11 模是圆形波导所有模式中的最低次模。,图 2.5-3圆形波导 TE11 模电磁场结构分布图,圆形波导 TE11 模与矩形波导 TE10 模的场结构很相似，二者之
3、间可以方便地实现相互转换。,矩形波导 TE10 模电磁场结构分布图,图 2.5-3圆形波导 TE11 模电磁场结构分布图,为保证转换前后各参数不发生变化，要求两种模式有相同的截止波长,2a = 3.41R,加工制造误差使TE11 模传输时会产生极化简并现象。,虽然圆形波导 TE11 模是最低次模，但一般都不采用这种模式来传输微波功率。,实践中都是采用矩形波导 TE10 模传输微波功率。,在一些特殊情况下应用圆形波导 TE11 模的简并特性。,(1)在雷达设备中需要传输圆极化波的时候，利用圆形波导 TE11 模很方便；,(2)在多路通信收发共用天线中采用两个不同极化的 TE11 模，以避免收发之
4、间的耦合。,(3)圆形波导的 TE11 模还用于铁氧体环行器、极化衰减器和极化变换器之中。,2用作旋转连接的TM01模,电磁场分布：TM01 模TM 型波的最低次模。(书上有错!),电流分布：管壁内表面上只有纵向的电流。,应用：用作天线扫描装置旋转关节的工作模式。,图 2.5-7圆形波导 TM01 模电磁场结构分布图,使用TM01 模时必须设法消除TE11 模。,3用作高Q 谐振腔和远距离通信的TE01模,（1）电磁场分布,（2）这种模式不存在极化简并现象。,图 2.5-6圆形波导 TE01 模电磁场结构分布图,电流分布：圆波导壁内表面上电流只沿圆周方向流动。,特点：随着工作频率升高，波导管壁
5、的热损耗单调下降。,应用:毫米波远距离通信、构成高品质因数微波谐振腔、电子设备的连接线和雷达天线的馈线。,图 2.5-6圆形波导 TE01 模电磁场结构分布图,TE01模式是高次模，使用时要设法抑制 TE11 模和TM01模。,2.6介质波导,介质波导：由介质构成的非封闭式微波传输线。,电磁场分布：电磁波沿着介质波导在介质内部和表面附近区域中进行传输。,表面波：电磁场在介质外沿横向方向随离开介质表面距离的增加按指数规律衰减。,工作原理：,根据折射定律，有,因为 1 2，所以 t i。,时产生全反射，电磁波不能进入低介电常数的介质区域， c称为临界角。,当 1 比 2大很多时， c很小, 很容易
6、产生全反射。, 1 2,（1）高介电常数介质界面与导体界面类似，也能使电磁波发生完全的或接近完全的反射。,正因为高介电常数介质界面具有完全反射电磁波的特性，因此，与在金属波导中一样，电磁波也能被限制在高介电常数介质中而沿介质传输，从而就可以构成介质波导。,（2）在导体壁上的边界条件是电场的切向分量为零，即为电壁(Electric Wall)；,（3）在高介电常数介质界面上的边界条件是磁场的切向分量近似为零，即为磁壁(Magnetic Wall)。,2.7微带线(Microstrip Line),271 微带线的结构,图 2.8-1微带线结构示意图,优点：体积小、重量轻、频带宽、可集成化；,缺点
7、：损耗大，效率低，功率容量低。,分类：对称微带线（带状线）和不对称微带线（微带）。,带状线可以看成是由同轴线演变而来的。,工作模式：纯 TEM 模。,缺点：不便于外接固态器件，不宜用于微波有源电路，本节将不对此做详细讨论。,优点：没有色散，没有辐射，损耗小，效率高，适于做高性能的无源微波元件。,微带线可以看成是由平行双导线演变而来的。,常用的介质基片材料： 99% Al2O3 瓷、石英蓝宝石或聚四氟乙烯、玻璃纤维等低损耗介质，接地板和导体带条常用铜等良导体做成。,注:尽管微带线是由平行双线演变而来的，但由于在导体带条和接地板之间填充了介质，使电磁场被束缚在介质附近传输，辐射损耗并不大。,272
8、 微带线中的工作模式,微带线填充的是空气和基片构成的混合介质，为满足介质与空气分界面上的边界条件，电场和磁场的纵向分量都不为零。,当工作频率较低时，纵向场分量比较弱，其场分布与 TEM 模很相似, 故称为“准 TEM 模”，并按 TEM 模处理。 。,有效介电常数e: 在微带尺寸及其特性阻抗不变的情况下，用一均匀介质完全填充微带周围空间，以取代微带的混合介质，该假想均匀介质的相对介电常数称为有效介电常数 e。,计算有效介电常数的经验公式,273 微带线的特性阻抗,引入有效介电常数以后，微带线的特性参量就可以用均匀介质来处理了。,Z01 ：空气微带线的特性阻抗。,微带线的特性阻抗:,1）W/h
9、1 的宽带情形,2） W/h 1 的窄带情形,工程中把计算结果列成了表格。,结论：在介质基片相同的情况下，导体带条越宽，特性阻抗就越小；导体带条越窄，特性阻抗就越大。这一特性在微带电路设计中非常有用。,给定特性阻抗和相对介电常数后可由下式确定w/h,2 . 8平行耦合微带线 (Coupling Microstrip Line),图 2.8-1耦合微带线结构示意图,工作模式：“准 TEM 模”,分析方法：“奇偶模参量法” 。,结构：由两根靠得很近的平行导体带条、介质基片和接地板构成。,282 奇偶模参量法,当给两根微带线输入等幅、反相的电压 Vo 和 Vo 时，其电场线分布是一种奇对称分布。,奇
10、模(Odd Mode)：相对于中心对称面具有奇对称分布的模式，用下标“o”表示 。,当给两根微带线输入等幅、同相的电压 Ve 时，其电场线分布是一种相互排斥的偶对称分布。,偶模(Even Mode)：相对于中心对称面具有偶对称分布的模式，用下标“e”表示。,当给两线输入的是任意电压 V1 和 V2 时，可以把 V1 和 V2 分解成一对奇、偶模分量，即,将 V1 和 V2 分成奇模和偶模之后，就可以针对奇模和偶模这两种特殊而简单的情况分别进行分析，然后再利用所得结果分析原问题的特性，这就是“奇偶模参量法”。,283 用奇偶模参量法求平行耦合 微带线的特性参量,奇模激励时，对称面上电场切向分量为
11、零，为电壁(Electric Wall)；,偶模激励时，对称面上磁场切向分量为零，为磁壁(Magnetic Wall)。,283 用奇偶模参量法求平行耦合 微带线的特性参量,1、在奇、偶模激励时，求其中一根传输线的特性参量时，将另一根线的影响用对称面处的电(磁)壁来等效。,计算方法和步骤：,2、求解这种边界条件下传输线的特性参量，得到奇、偶模激励时的特性阻抗。,Z0o ：奇模激励时的特性阻抗； Z0e ：偶模激励时的特性阻抗。,耦合系数：反映平行耦合微带线两根导线之间耦合程度的参数。,3、平行耦合微带线中单根微带线的特性阻抗Z0,1、两根导线耦合得越紧，Z0o 与 Z0e 之间的差值就越大，耦
12、合系数 k 的值也就越大。,2、当两根导体带条相距很远时，它们之间没有耦合，耦合系数 k 0，其奇、偶模特性阻抗相等，均等于孤立单根微带线的特性阻抗，即 Z0o = Z0e = Z0 。,讨论：,3、由于有效介电常数决定于场在介质中和在空气中的相对比值，而奇、偶模的场分布是不同的，故奇、偶模激励时的相对有效介电常数 eo 和 ee 不同。,奇、偶模的相速、带内波长,在弱耦合下，相波长常采取平均值的方法来处理，即,耦合微带线特性阻抗的计算很复杂，在工程计算中常采用有关曲线或图表来计算。,平行耦合微带线的奇、偶模相速各不相同，带内波长也各不相同，这将给微带电路的设计带来很大困难。,图 2.8-3耦
13、合微带线 Z0o，Z0e 与 W/h 和 s/h 的关系曲线(a),2.9 槽线 共面波导 鳍线 基片集成波导,优点：槽线在结构上使两个具有电位差的导体带位于介质基片的同一面，这对于安装固体器件，尤其是并接安置，以及对地形成短路等都是比较方便的。,291 槽线(Slot Line),292 共面波导(Coplanar Waveguide),293 鳍线(Finny Line),工作模式：准TEM模。,在微波的高频端（如毫米波波段 f 30GHz），微带线损耗大、尺寸过小，难以加工。,优点：对于安置并联的元器件是很方便的。,特点：色散小、单模工作频带宽、损耗不太大、便于与固体器件集成，易与标准矩
14、形波导相过渡, 并能工作在波导的整个带宽上。,鳍线本质上就是放置在矩形波导E面上的槽线。,294 基片集成波导,a:介质基片集成波导的宽度; d:短路针的直径； p:短路针的间距,等效波导的归一化宽度,等效矩形波导宽度为,基片集成波导具有微带线和矩形波导的共同优点 。,基片集成波导等效成传统矩形波导之后，其特性就可以用传统矩形波导的分析方法进行分析了。,2.10 微波传输线中波的激励与模式转换,激励的方法：通过某种手段在所用的传输线中建立起某种电场或磁场或高频电流分布，所建立起的力线分布应与所希望的模式的相应分布一致。,激励：在微波传输线中建立起某种模式的电磁波。,激励电磁场的装置：（1）激励器；（2）模式转换器。,2101 激励器,1、探针电激励(Probe Electrical Encouragement),2、小环磁激励(Magnetic Encouragement),1矩圆波导模式转换,2102 模式转换器,2同轴微带模式转换器,3波导微带模式转换器,
