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1、第一章,均匀传输线理论,均匀传输线分布参数电路的模型,11,一、传输线及其种类,传输微波能量和信号的线路称为传输线 。,凡是用以引导电磁波的装置都称为传输线 。,微波传输线是用以传输微波信息和能量的各种形式的传输系统的总称，它的作用是引导电磁波沿一定方向传输, 因此又称为导波系统, 其所导引的电磁波被称为导行波。,TEM波：,导行波传播的方向称为纵向,垂直于导波传播的方向称为横向,无纵向电磁场分量的电磁波称为横电磁波，即TEM波。,引言,规则导波系统（均匀传输线）：,截面尺寸、形状、媒质分布、材料及边界条件均不变的导波系统。,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
2、均匀传输线、 有源元器件及天线一起构成微波系统。,微波传输线大致可以分为三种类型,1.双导体传输线（ TEM波传输线）,由两根或两根以上平行导体构成, 传输的电磁波是横电磁波（TEM波）或准TEM波。,平行双线 同轴线 带状线 微带线,微波传输线大致可以分为三种类型,2.波导（金属波导管）,均匀填充介质的金属波导管, 因电磁波在管内传播, 故称为波导。,矩形波导 圆波导 脊形波导 椭圆波导,这类传输线上传输的是横电（TE）波和横磁（TM）波，都是色散波，所以又称为色散波传输线。,微波传输线大致可以分为三种类型,3.介质传输线（表面波波导）,因电磁波沿传输线表面传播, 故称为表面波波导。,介质波
3、导 镜像线 单根表面波传输线,这类传输线上传输的是TE波和TM波的混合波，并且沿线的表面传播，也是色散波传输线。,所以，微波传输线可分为两种类型：TEM波（非色散波）传输线和非TEM波（色散波）传输线。,二、分析电磁波沿传输线的传播特性的方法有两种：,场分析法：,麦氏方程,边界条件,波动解,表达式,波的传输特性,路分析法：,等效电路,传输线方程,表达式,基氏定律,传输 特性,长线理论,前一种方法较为严格, 但数学上比较繁琐, 后一种方法实质是在一定的条件下“化场为路”, 有足够的精度, 数学上较为简便, 因此被广泛采用。,场的分析法与路的分析法是紧密相关，又相互补充。,这两种理论只是分析同一问
4、题的不同途径。,从广义传输线理论的观点来看，广义路的理论和广义场的理论是等效的。,有些传输线宜用场的理论去处理；而有些传输线在满足一定的条件下可以归结为路的问题来处理，这样就可借用熟知的电路理论和现成方法，使问题的处理大为简化。,本节从路的观点研究传输线在微波运用下的传输特性；这几节所得到的一些基本概念和公式不仅适用于TEM波的传输线，而且还可以应用于天线和波导传输线中。,路与场,电路：直流、低频、高频、微波等 直流：首先是场的建立（3108m/s）， 其次是电荷流动，(导体中电子0.01cm/s) 微波电路：约束电磁场，如波导、微带线 高速电路的电磁泄漏及信号完整性 电磁场：电磁波、能量波
5、用路的方法来研究场， 分布参数：C，L，R 相互补充,三、分布参数及其分布参数电路：,1.传输线可分为长线和短线,所谓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，称为短线。,在微波技术中，1m长度的传输线应视为长线；传输线均指长线传输线。,在电力工程中，对于频率为50HZ（6000km）的交流电，1000m长度的传输线应视为短线。,电长度：传输线的长度与所传输的电磁波波长之比。,在学习长线理论之前，我们应首先弄清楚TEM波传输线的结构特点，为什么TEM波传输线可用路的理论分析？而非TEM波则不行？然后弄清楚“长线”、“分布参数”和“分布参数电路”等概念
6、。,三、分布参数及其分布参数电路：,2.长线和短线的本质区别,长线为分布参数电路；短线为集总参数电路。,在低频短路中，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。由这些集总参数元件组成的电路称为集总参数电路。,在低频电路中，电阻、电容、电感和电导都是以集总参数的形式出现的，连接元件的导线都是理想的短路线，可任意延伸或压缩。,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
7、参数不可忽略，这种电路称为分布参数电路。,三、分布参数及其分布参数电路：,3.双线的分布参数:,通高频电流的导线周围存在高频磁场，这就是分布电感效应；,分布电阻R,分布电感L,分布电容C,分布电导G,传输线单位长度上的分布参数。,频率提高后，导线中所流过的高频电流会产生集肤效应，使导线的有效面积减小，高频电阻加大，而且沿线各处都存在损耗，这就是分布电阻效应；,又由于两线间有电压，故两线间存在高频电场，这就是分布电容效应；,由于两线间的介质并非理想介质而存在漏电流，这相当于两线间并联一个电导，这就是分布电导效应。,三、分布参数及其分布参数电路：,3.双线的分布参数；,例如：电磁场理论基础P67例
8、3.15 在空气中半径为a，轴间距离为d的无限长平行双线。,（1）两线相距较远时，单位长度的电容,（2）两线相距较近时，单位长度的电容,（3）两线相距较近时，单位长度的自感,了解,例如：双线的分布电感L10.999nH/mm，分布电容C1.00111pF/mm。,当f50HZ时，引入的串联电抗XL=31410-3/mm，并联电纳BC3.4910-12S/mm；,当f5000MHZ时，引入的串联电抗XL=31.4/mm，并联电纳BC3.4910-4S/mm；,由于传输线的分布参数效应，使传输线上的电压、电流不仅是时间的函数，而且是空间位置的函数。,所谓均匀传输线是指传输线的几何尺寸、相对位置、导
9、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。,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。,分布参数,等效电路,微分方程,传输线方程的解,特性参数,四、均匀传输线的分布参数及其等效电路,本节从路的观点研究传输线在微波运用下的传输特性；这几节所得到的一些基本概念和公式不仅适用于TEM波的传输线，而且还可以应用于天线和波导传输线中。,1.TEM传输线的结构特点：,此特点使得其上的电磁波分布有别于非TEM波传输线,都是由双导体构成,下图为在t时刻平行双导线和同轴线上的电磁波分布：,
10、在自由空间或波导中电磁波在传播中，电场靠磁场支持，磁场靠电场维系，彼此互为存在的前提。电场线和磁场线都是闭合的。,在TEM波传输线中， t时刻的电场线是从一个导体的正电荷发出落到另外一个导体的负电荷上，它们是靠正、负电荷支持的，不是闭合的曲线；,磁场线是围绕导体的一圈圈封闭曲线，它们是由导体上的电流激发的；,在任一时刻电磁场分量都是同相的，与传输方向正交；其横向场随空间横向变化而与静态场完全一样。,所以，TEM波的电场可由单值的电压确定，磁场可由单值电流维系。因此，TEM波传输线是惟一可以用分布参数的“路”的理论描述的。,表1-2 几种双导线传输线的分布参数,2.均匀传输线的分布参数：,均匀传
11、输线单位长度上有四个分布参数：,分布电阻R,分布电感L,分布电容C,分布电导G,3.均匀传输线的分布参数电路模型：,由均匀传输线组成的波导系统都可等效为如下图的均匀平行双导线系统：,其中传输线的始端接微波信号源（简称信源）, 终端接负载, 选取传输线的纵向坐标为z, 坐标原点选在终端处, 波沿负z方向传播。,对于连接源和负载的TEM波传输线，可被划分为许多无限小的线段，每一个小线元可看成集总参数电路。,在均匀传输线上任意一点z处, 取一微分线元z（z）,其上有电阻Rz、电感Lz、电容Cz和漏电导Gz，其等效电路为一个型网络，如下图所示：,实际的传输线由各个线元的等效电路的级联组成。,上图为有耗传输线的等效电路：,下图为无耗传输线的等效电路：R=0,G=0,均匀传输线分布参数电路的模型,一、传输线及其种类,二、分析电磁波沿传输线的传播特性的方法有两种：,三、分布参数及其分布参数电路：,1.传输线可分为长线和短线,2.长线和短线的本质区别,3.双线的分布参数:,四、均匀传输线的分布参数及其等效电路,1.TEM传输线的结构特点：,2.均匀传输线的分布参数：,3.均匀传输线的分布参数电路模型：,纵向,横向,横向,E,TEM横电磁波,H,纵向,E,H,TEM横电磁波,返回,纵向,E,H,TE横电波,H,Hy,Hz,纵向,E,H,TM横磁波,Ex,Ez,E,返回,
