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1、第一部分第一部分 微波无源电路微波无源电路第一章 传输线及微波元件第二章 微波网络参量第三章 功分器、定向耦合器和混合环第四章 微波滤波器、阻抗变换器和匹配网络 第一章第一章 传输线及微波元件传输线及微波元件第一节第一节 微波传输线类型微波传输线类型一、传输线概念：一、传输线概念：凡是用以引导电磁波的装置都称为传输线。二、微波传输线的基本要求：二、微波传输线的基本要求：宽频带、低衰减的单模传输电磁波。微波传输线除用来传输电磁波外，还可用来构成各种结构形式的微波元件。三、微波传输线的主要形式：三、微波传输线的主要形式：双导体结构（TEM波传输线）、金属波导（色散波传输线）、介质波导（表面波传输线
2、）图1-1 双导体传输线a是平行双导线、b是同轴线、c是带状线、d是微带线这类传输线上传输的是横电磁波，所以又称为TEM波传输线。图1-2 金属波导a是矩形波导、b是圆波导、c是脊波导、d是椭圆波导这类传输线是均匀填充介质的波导管，传输的是横电（TE） 或横磁（TM）波，都是色散波，所以又称为色散波传输线。图1-3 介质波导a是镜像线、b和d是介质线、c是介质管这类传输线上传输的是横电（TE）和横磁（TM）波的混合 波，并且沿线的表面传输，所以称为表面波传输线，也是色 散波传输线。图1-4 平行双导线传输线的几何形状和场分布图1-5 同轴电缆传输线的几何形状和场分布图1-6 微带传输线图1-8
3、 三层传输线的结构图1-7 平行板传输线的几何形状和场分布四、主要微波集成电路传输线：四、主要微波集成电路传输线：带线、微带线、共面波导和槽线。在毫米波和亚毫米波段主要是介质波导型集成电路。五、微波传输线的共同特征：五、微波传输线的共同特征：均有一轴线，系统结构沿此轴线均匀电磁能量沿轴线传输（导行）电磁能量被束缚于系统周围（或内部）六、微波电路基片材料：六、微波电路基片材料：玻璃类：主要是微晶玻璃陶瓷类：主要是氧化铝陶瓷单晶类：石英、蓝宝石、白宝石、砷化镓及其他特殊单晶铁氧体类：主要有尖晶石型的玻璃铁氧体和柘榴石型的微 波铁氧体微波印刷板类：材料成分种类较多，成分较复杂Rogers公司生产的几
4、种微波介质基片几种常用微波介质材料第二节第二节 微波传输线理论微波传输线理论一、麦氏方程组一、麦氏方程组1873年得出，是无线电通信的基石自由空间微分形式自由空间微分形式: : : :()()() tttt+=,r r r rD D D Dr r r rJ J J Jr r r rH H H H()() ttt=,r r r rB B B Br r r rE E E E()0,=tr r r rB B B B()()tt,r r r rr r r rD D D D=()()tt,r r r rE E E Er r r rD D D D=()()tt,r r r rH H H Hr r r rB
5、 B B B=()()tt,r r r rE E E Er r r rJ J J J=()()() += SlttttS S S Sr r r rD D D Dr r r rJ J J Jl l l lr r r rH H H Hd,d,AmpereAmpereAmpereAmpere s Laws Laws Laws Law()()= SltttS S S Sr r r rB B B Bl l l lr r r rE E E Ed,d,FaradayFaradayFaradayFaraday s Laws Laws Laws Law()0d,=StS S S Sr r r rB B B BC
6、ontinuity of Magnetic Flux Continuity of Magnetic Flux Continuity of Magnetic Flux Continuity of Magnetic Flux ()()= VSVttd ,d,r r r rS S S Sr r r rD D D DGaussGaussGaussGauss Law Law Law Law自由空间积分形式自由空间积分形式: : : :讨论：讨论：对于传输线上的模式已知后，可以用麦氏方程和边界条件确定。把均匀的TEM模微波传输线等效成“平行双线”，用等效电压和电流确定。在等效线的某一位置处，两线之间的电压
7、与原微波传输线上的横向电场Et成正比，电流与原传输线上的横向磁场Ht成正比。即等效电路参数法。Smith圆图法 本征阻抗(波阻抗)的概念：与线中的充填介质和电磁场的模式有关。长波长及传输线中的导波的分别为均匀介质空间中其中自由空间ggTMg TEtt TEM,HE00 0000)377(=二、长线的概念：二、长线的概念：1、定义：线长度比波长长或者与波长相当的传输线称为长线。通常人们把TEM波传输线称为长线。2、电长度：是一个相对长度量，即传输线的长度与所传输的电磁波波长之比。用 表示，其中为波长，l为传输线的长度。ll=3、分布参数：电磁波沿线传播时，低频时忽略的各种现象 与效应，都通过沿导
8、体线的损耗电阻、电感、电容和漏电导 表现出来，导致沿线的电压、电流随时间和空间位置变化， 这些参数对传输的电磁波的影响分布在传输线上的每一点， 所以称为分布参数，并且用分布电阻R0、分布电感L0、分布 电容C0、分布电导G0表示。 分布电阻R0(/m):指系统(沿轴向)单位长度呈现的串联电 阻值,决定于导线材料及导线的截面尺寸,如果导线为理想导 体,则R0=0分布电导G0(S/m):指系统(沿轴向)单位长度呈现的并联电 导值,决定于导线的周围介质材料损耗,如果导线为理想介质, 则G0=0分布电感L0(H/m):指系统(沿轴向)单位长度呈现的自感,决 定于导线的截面尺寸、线间距及介质的磁导率。分
9、布电容C0(F/m):指系统(沿轴向)单位长度呈现的并联电 容，决定于绕线的截面尺寸、线间距及介质的介电常数。对分布参数的讨论：对分布参数的讨论：分布电容C0及分布电感L0与频率无关,但它们所引起的传输线的分布电抗X0= L0及分布电纳B0= C0 与频率成正比。分布电导G0决定于介质损耗。介质损耗分为两部分，一部分是由于介质的导电率不为零所造成，即漏电损耗，它与频率无关；另一部分是介质的极化阻尼损耗，它表现为使介电常数成为复数，即 极化阻尼损耗取决于材料的,且与频率成正比。因此，全部介质损耗决定于+。当频率较低时,G0与频率无关；当频率很高时 , G0与频率成正比。=j 分布电阻R0决定于导
10、体上的损耗。当频率很低时,电流在导体中是均匀分布的，这时R0就是导体的直流电阻，与频率无关。当频率很高时，导体中的电流产生趋肤效应，这时导体的单位面积的表面电阻为 与 成正比。因此高频时R0与频率的二次方根成正比。ssR2/=对分布参数的讨论：对分布参数的讨论： 在低频时, L0及C0都很小，可以忽略。并且，传输线是由良导体制成的，导体之间填充良好的绝缘体。因此，在低频近距离传输电磁能时，可以认为导线两端是等位的，既没有相移也没有损耗；在低频较远传输时，也只需考虑传输线的损 耗，毋需考虑传输线的相移。 在高频,电抗L0及电纳C0很大，这就使电压及电流（或电场及磁场）在传输线上产生不可忽略的相移
11、，形成波在传输线上的传播过程。在微波波段，即使传输线相当短，这种波的过程也不能不予考虑。对分布参数的讨论：对分布参数的讨论：总之：总之：不管频率是高还是低，只要传输线的长度可与该频不管频率是高还是低，只要传输线的长度可与该频率的电磁波波长相比拟，就必须研究传输线上的波率的电磁波波长相比拟，就必须研究传输线上的波动过程。动过程。4、特殊长线：均匀长线： 如果长线的分布参数是沿线均匀分布的，不随位置而变化，即R0，G0，C0，L0均为常数，则称为均匀长线或均匀传输线。无耗长线： 导体、介质理想，即R0=0，G0=0均匀无耗长线：R0=0，G0=0，C0、L0为常量例如：矩形波导、圆波导、同轴线、微
12、带线等三种类型的传输线参量三种类型的传输线参量RCGL平行板同轴线双线参量ca1)11(21 baaccw2)2cosh(aDa)2/cosh(aDa)ln(2ab )/ln(2 ab dwa1dw )2/cosh(aDa )/ln(2 ab三、长线模型及方程：三、长线模型及方程：图1-9 传输线微元（dz）图1-10 dz段的等效电路 zzz+ zZ1ZgEg0lzu(z+z,t)i(z+ z,t)+-R zL zC zG z+-u(z,t)zi(z,t)(a)(b)(c)(d ) 符号含义： )()()()()()(2121 zIzIeeBeeBzIzUzUeeAeeAzUrizjzzjz
13、rizjzzjz+=+=+=+=入射波代表信号源向负载提供功率的情况，反射波代 表负载将信号源提供的功率反馈回信号源的情况。反射波 的存在表明：负载没有吸收全部信号功率-功率传输效率 未达理想状态（阻抗匹配状态），利用长线理论可以研究 如何提高信号功率的传输效率问题。理想化条件： 长线是均匀长线即长线具有沿轴线（取为Z轴）的均匀性；长线终端无长度（Z=0）只接负载（ZL），始端（Z=L）接角率为的微波信号源；系统处于正弦稳态。)()()()()()()()(0000 zUdzjwCdzGzIdzzIzIdzjwLdzRzUdzzU+=+=+（1）（2）)()()()(0000zUjwCGdzd
14、IzIjwLRdzdU+=+=（3）（4）)()()()(200000022zUzUjwCGjwLRdzdIjwLRdzUd=+=+=（5）jjwCGjwLR+ + + += = = =+ + + + + + += = = =?)(0000此即均匀长线方程，也叫电报方程。其中实践证明：实践证明： 表示波每行进一个单位长度时，其振幅就减小表示波每行进一个单位长度时，其振幅就减小 到原振幅的到原振幅的e e e e 分之一，因此称为衰减常数；分之一，因此称为衰减常数； 表示沿波传播方向每行进一个单位长度，波在相位上滞后表示沿波传播方向每行进一个单位长度，波在相位上滞后 的弧度数，因此称为相移常数，
15、也称为波数。的弧度数，因此称为相移常数，也称为波数。)(811 w)(81-1CL 2G LC 2R20000 20020000 2 000000CG LR wCLCG LR w = = = = + + + + ?一般可以写成下述形式：一般可以写成下述形式： = = = =+ + + += = = =+ + + + + + + + + + + + + += = = =0000000000000000 00)(21)(21)1 ()1 (21 21CLwZGYRCLjwZGYRjwCG jwLRCLjw或者写成下述形式：或者写成下述形式：0000000000001, 0, 0 :)(CLwvCLwCLjwGRjwCGjwLRp= = = = = = = =
