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1、射频结课论文-传输线的理论特性及实际中的应用 作者： 日期：XXXXXX大学 射频结课论文 题 目：传输线的理论特性及实际中的应用院 （系）： 电子与信息工程学院 专 业： 电子信息工程 班 级： 姓 名： 学 号： 指导教师： 日 期： 2013年12月11日 传输线的理论特性及实际中的应用摘 要：微波信号由传输线长度比传输信号波长的值确定，通常情况下信号路径长度1/6有效波长可判定该传输线为微波信号传输。微波传输线是高频信号测量中一项很重要的电路装置。本文先阐述了微波的概论，并分析了传输线理论。最后分析研究了微波传输线的应用。一、 微波概论 1、 微波的特性 微波是一种高频率的电磁波，通常
2、情况下为300mhz至300ghz，微波的波长很短，一般在微波频段中，其频率相对较高，而绕射能力却相对较弱，因此主要利用微波于视距范围进行信号的直线传播，也称为视距传播。微波技术的关键理论就是微波传输理论。 2、 微波传输线 微波传输线是基本的微波器件，微波传输线主要用来进行微波信号、微波能量的传递。矩形波导、圆波导、平行双线、带状线、微带线以及同轴线都是常用的微波传输线。微波传输线是一项引导电磁波沿特定方向传输的系统，所以需要满足麦克斯韦方程及导体、介质的边界条件，也就是说，需要满足的这两点条件决定了导行电磁波的传输特性以及电磁场的分布规律。 3、传输线原理传输线是以横电磁 (TEM)模的方
3、式传送电能和（或）电信号的导波结构。传输线的特点是其横向尺寸远小于工作波长。主要结构型式有平行双导线、平行多导线、同轴线、带状线，以及工作于准TEM模的微带线等，它们都可借助简单的双导线模型进行电路分析。各种传输TE模、TM模，或其混合模的波导都可认为是广义的传输线。波导中电磁场沿传播方向的分布规律与传输线上的电压、电流情形相似，可用等效传输线的观点分析。传输线的电路表示方式一般以两条等长的导线表示，如图1(a)。其中的一小段长度为z的传输线，可以用图1(b)的集总元件电路模型描述。zzi(z, t)v(z, t)(a)RzLzGzCzi(z, t)v(z, t)v(zz, t)(b)图1传输
4、线的等效电路图二、传输线的种类凡是能够引导电磁波沿一定方向传输的导体、介质系统均可成为传输线，微波传输线不仅可以用来传输电磁能量，还可以用来构成多种微波元件，传输线的种类繁多，按其传输的电磁波类型可以分为三类：1、TEM波传输线，其中包括平行双线、同轴线、带状线和微带线等。这类传输线主要用来传输TEM波，具有频带宽的特点。但在高频传输电磁波能量损耗较大。2、TE波和TM传输线，又称包微波传输线，其中包括矩形波导、圆波导、脊波导和椭圆波导等，这类传输线主要用来传输TE波和TM等色散波，具有损耗小、功率容量大、体积大而带宽窄等特点。3、表面波传输线，包括介质波导、镜像线、单极线，他主要用于传输表面
5、波，电磁波能量沿传输线表面传输，这类传输线具有结构简单、体积小、功率容量大等特点，主要用于毫米波段，用来制作表面天线及某些微波元件。一般对微波传输线基本要求是：能量损耗小、传输效率高、功率容量大、工作频带宽、尺寸均匀等。目前，微波波段使用最多的是矩形波导、圆波导、同轴线、带状线和微带线。三、传输线的分布参数及分布参数传输线有长线和短线之分，所谓长线是指传输线的几何长度与线上传输电磁波的波长比值（电长度）大于或接近于1，反之成为短线。长线和短线只是一个相对概念，均相对电磁波波长而言，长线并不意味着几何长度很长，而短线也并不意味着几何长度很短。例如在微波领域中，1M的传输线对于1000MHZ（波长
6、30cm）的电磁波而言属于长线，在电力系统中1000MHz的输电线对于频率50Hz（波长为6000KM）的交流而言却是短线。根据传输线的分布参数，可分为均匀分布参数和不均匀分布参数，本节主要研究长线的分布参数，是沿线均匀分布，不随位置而变化，均匀传输线一般有四个分布参数，分别用单位长度传输线分布电阻（）、分布电导（）、分布电感（）、分布电容（）来描述，他们的值取决于传输线的类型、尺寸、导体材料和周围介质参数，可用静态法求得。四、微波传输线匹配理论1、阻抗匹配目的是使传输线向负载有最大的功率转移，即要求负载阻抗与传输线的特性阻抗相等，相应地有|=0（或=1）。如果负载阻抗与传输线的特性阻抗并不相
7、等，就需要在传输线的输出端与负载之间接入阻抗变换器，使后者的输入阻抗作为等效负载而与传输线的特性阻抗相等，从而实现传输线上|=0。阻抗变换器的作用实质上是人为地产生一种反射波，使之与实际负载的反射波相抵消。在实际问题中，还需要考虑传输线输入端与信号源之间的阻抗匹配。2、 基本阻抗匹配理论：如图2（a）所示：输入信号经过传输以后，其输出功率与输入功率之间存在以下关系，信号的输出功率直接决定于输入阻抗与输出阻抗之比。RsRLVsVout 图2(a) : 输出输入功率关系图K=RL/RS输出功率图2（b）输出功率与阻抗比的关系由图2(b)可知，当RL=RS 时可获得最大输出功率，此时为阻抗匹配状态。
8、 推而广之，如图2（c）所示，当输入阻抗ZS 与负载阻抗ZL间有ZS=ZL*的关系时，满足广义阻抗匹配的条件。所以，阻抗匹配电路也可以称为阻抗变换器（Impedance Transformer）。ZsVsZLPoutZL 图2(c) : 广义阻抗匹配关系图当ZL=ZS*,即是匹配(Matched)五、传输线在实际中的应用传输线是指能够引导电磁波沿一定方向传输的导体、介质或有它们构成的导波系统的总称，其所引导的电磁波称为导行波。按其所传输电磁波的性质可分为双导体传输线、单导体传输线和介质传输线。把导行波传播的方向称为纵向，垂直于导行波传播的方向称为横向。一般将截面尺寸、形状、媒介分布、材料及边界
9、条件均不变的规则导波系统称为均匀传输线。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、有源元件及天线一起构成微波系统。微波测量中的微波传输线匹配情况意义重大，通常情况下对于高频信号幅度信息及传递均需要利用微波传输线，传输线驻波会影响到测量的误差。一旦传输线、负载、信号源等形成的微波测量系统中的负载不能和传输线相匹配，就会形成驻波，不但会降低传输线功率容量，还会将传输线的衰减程度增加，导致信号源频率及输出不稳定，难以获得全部入射功率。传输线不仅用于传送电能和电信号，还可以构成电抗性的谐振元件。例如，长度小于1/4波长的终端短路或开路的传输线，其输入阻抗是感抗或容抗
10、；长度可变的短路线可用作调配元件（短截线匹配器）。又如长度为1/4波长的短路线或开路线分别等效于并联或串联谐振电路，称为谐振线；其中1/4波长短路线的输入阻抗为无穷大，可用作金属绝缘支撑等。此外，还可利用分布参数传输线的延时特性制成仿真线等电路元件。1、电压驻波比传输线上的反射波与入射波叠加后形成驻波，即沿线各点的电压和电流的振幅不同，以1/2波长为周期而变化。电压（或电流）振幅具有最大值的点，称为电压（或电流）驻波的波腹点；而振幅具有最小值的点，称为驻波的波谷点；振幅值等于零的点称为波节点。线上某电压波腹点与相邻波谷点的电压振幅之比称为电压驻波比，简称驻波比；其倒数称为行波系数。2、传输线反
11、射反射就是在传输线上的回波。信号功率(电压和电流)的一部分传输到线上并达到负载处，但是有一部分被反射了。如果源端与负载端具有相同的阻抗，反射就不会发生了。源端与负载端阻抗不匹配会引起线上反射，负载将一部分电压反射回源端。如果负载阻抗小于源阻抗，反射电压为负，反之，如果负载阻抗大于源阻抗，反射电压为正。布线的几何形状、不正确的线端接、经过连接器的传输及电源平面的不连续等因素的变化均会导致此类反射。3、传输线变压器一般的功率放大器的频率特性取决于器件和输出、输入电路的频率特性，以LC谐振回路为输出电路的功率放大器，由于其相对通频带B/f0只有百分之几甚至千分之几，所以又称窄带高频功率放大器。这种放
12、大器比较适用于固定频率或频率变化范围较小的高频设备，如专用通信机、微波激励源。对于要求频率相对变化范围较大的短波、超短波电台，由于调谐系统复杂，窄带功率放大器的运用就受到了严重的限制。为了展宽功率放大器的频带，需要采用具有宽频带特性的输出、输入电路，传输线变压器能够满足这种要求，可以使放大器的最高工作频率扩展至上千兆赫，并能同时覆盖几个倍频程的频带宽度，实现了在很宽的范围内改变工作频率时，放大器不用重新调谐的目的。 六、总结 微波信号由传输线长度比传输信号波长的值确定，通常情况下信号路径长度1/6有效波长可判定该传输线为微波信号传输。在高频信号测量过程中，微波传输线发挥了重要的作用。高频功率测
13、量过程中，采用的传输线路不同，测量得到的结果也不相同。需要依据微波频率进行传输线的选择，确保与传输系统相匹配。通过情况下采用增加非互易隔离器或去耦衰减器来实现信号源阻抗匹配，这样可以将发射波吸收，起到保护信号源的作用。 七、心得体会 通过学习这门课程，让我对微波技术与射频电路技术有了新的认识，原来以为微波传输信号就是从这边传到那边，而现在知道了传输线有那么多种类以及它们的特点和用途，并且传输过程特别复杂。我也认识到了许多微波的知识，平时只是从表面接触到微波炉什么的，而这门课介绍了广义上的微波，也让我对微波有了更深一步的了解。对于现在的通信时代，网络成为我们生活中必不可少的，因此，我们对于信号的
14、强弱和传输快慢的要求也非常高。研究这门课程使我们对于现代光纤技术也有了一定的了解，光纤之所以这么受欢迎也是因为它满足了现在社会对网络的需求。我也深刻认识到世界科技的伟大，从发明电话到电视是一个漫长的过程，我想这也是人类伟大的智慧所在。随着科技的发展，人们对于通信的期望越来越高，从飞鸽传书到邮寄信件，再到现在的电脑邮件以及视频通话，这样飞跃的发展让我们感慨科技之伟大。在这门课程的学习中，我也努力学习科学家们刻苦认真研究的成果，虽然课程比较难，也没有课程考试，但是我们也通过网上查找资料和查阅书籍，对这门课程有了更多的认识。接下来，我会在课余时间更多的去了解这门课程，因为这对我们以后的技术工作有很好的指导和帮助。 参考文献1石化龙.利用计算机分析微波
