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1、微波技术基础,詹铭周 副教授 科研楼C305：61831021,传输线的工作状态,上一讲中，我们介绍了传输线的工作参数 Zin、 、S、lmin 讨论电压波，电流波的分布状态反射波由负载决定入射波与反射波的叠加情况传输线的工作状态,分解为若干个标准单元,5.6 无耗传输线的三种工作状态 传输线终端接不同的负载阻抗时，线上的反射情况不一样，线上电压波和电流波的分布情况不一样，将有三种不同的工作状态，分别为： 1)行波状态 2)纯驻波状态 3)行驻波状态 为简化讨论，下面可根据实用微波传输线是小损耗线的具体情况假定它无耗 R1=G1=0,传输线的工作状态,传输线上能量的传播状态,1)行波状态,行
2、波,英文名称traveling wave. 定义：某一物理量的空间分布形态随着时间的推移振幅不变的情况下向一定的方向行进（不断向前推进所）形成、传播到无限远或在某处被完全吸收，没有反射，故称行波。 海浪冲上平缓的沙滩，而没有返回到大海。 被吸收,行波贴图，波的形状在向前传播,5.6.1 行波状态（匹配状态） 产生条件： 无限长传输线（有始无终） 负载阻抗等于传输线的特性阻抗，即 = 时。 波的分布状态。（始终配合/匹配） 信号源传向负载的信号被完全吸收，传输线上只有入射波没有反射波。 电压、电流表达式：,传输线的工作状态行波状态,电压、电流振幅沿线分布图： 行波状态下的工作参量：,电压、电流的
3、幅值不随z而变化。沿线处处相同。,传输线的工作状态行波状态,驻波相位无意义,行波状态的特点： 电压，电流的振幅沿线不变。利用此特点可以通过测 量来判断行波状态； 电压和电流沿线各点均同相，电压或电流的相位随z 减小而滞后，线上为从波源到负载的单向行波； 沿线各点的输入阻抗均等于传输线的特性阻抗。因没 有反射波，反射功率为0，入射功率完全被负载吸， 因此行波状态（匹配状态）是传输能量和信号所希望的工作状态。,传输线的工作状态行波状态,（纯）驻波状态,驻：不前进、停止。波：波动性表示什么？ 入射波与反射波相互叠加而形成的波形称驻波（仅上下振动但不向负载移动） 驻波多发生在海岸陡壁或直立式水工建筑物
4、前面。紧靠陡壁附近的海水面随时间虽作周期性升降，海水呈往复流动，但并不向前传播，水面基本上是水平的，这就是由于受岸壁的限制使入射波与反射波相互干扰而形成的。,驻波贴图,波面随时间作周期性的升降，每隔半个波长就有一个波面升降幅度为最大的断面，称为波腹；当波面升降的幅度为0时的断面，称为波节。相邻两波节间的水平距离仍为半个波长，因此驻波的波面包含一系列的波腹和波节，腹节相间，波腹处的波面的高低虽有周期性变化，但此断面的水平位置是固定的，波节的位置也是固定的。 与行波的波峰、波谷沿水平方向移动的现象正好相反，驻波的形状不传播，故名驻波。当波面处于最高和最低位置时，质点的水平速度为零，波面的升降速度也
5、为零；当波面处于水平位置时，流速的绝对值最大，波面的升降也最快，这是驻波运动独有的特性。,5.6.2 （纯）驻波状态 波的分布状态： 信号源通过传输线传向负载的入射波在终端处发生全反射（ ），反射波幅度和入射波幅度相等，在线上入射波与反射波叠加 。 形成条件： 终端端接短路、开路和纯电抗负载，即 =0， ， 。四种不同负载决定了纯驻波分布情况，其区别在于传输线终端处的相位不同。,传输线的工作状态驻波状态,1.传输线终端短路（ =0） 有： 因此：,传输线的工作状态驻波状态,线上电压、电流的振幅值相对于入射波电压、电流振幅 的比值为： 或 或 根据上面的公式，我们可以可以画出传输线上的电压， 电
6、流振幅分布,传输线的工作状态驻波状态,该状态下，传输线的其他工作参量为：,传输线的工作状态驻波状态,根据上式，可以画出输入阻抗沿线的分布曲线,传输线的工作状态驻波状态,2.传输线终端开路（ = ） 有： 因此： 或 或 根据上面的公式，我们可以可以画出传输线上的电压， 电流振幅分布,传输线的工作状态驻波状态,该状态下，传输线的其他工作参量为：,传输线的工作状态驻波状态,根据上式，可以画出输入阻抗沿线的分布曲线,传输线的工作状态驻波状态,3.终端接感性负载（ ） 有： 因此：,传输线的工作状态驻波状态,根据上面的公式，我们可以可以画出传输线上的电压， 电流振幅分布 该状态下，传输线的特性参量：
7、， ， ，,传输线的工作状态驻波状态,4.终端接容性负载（ ） 有： 因此：,传输线的工作状态驻波状态,根据上面的公式，我们可以可以画出传输线上的电压， 电流振幅分布，与情况3的图形类似。 该状态下，传输线的特性参量：,传输线的工作状态驻波状态,小结 均匀无耗传输线终端无论是短路、开路还是接纯电抗 负载，终端均产生全反射，沿线电压电流呈驻波分布， 其特点为： (1) 电压、电流振幅随传输线的位置变化而变化最大值为波腹，最小值为波节，纯驻波的波腹是入射波振幅的2倍，波节振幅为零，驻波的分布周期为半导波波长。四种情况的区别在于 的值各不相同，因而 也不同。 短路: 开路: 感性负载: 容性负载:,
8、传输线的工作状态驻波状态,在微波测量中有一定用处,(2) 电压、电流随传输线的位置变化而变化，但不是均匀变化。相邻节点之间各点的电压（或电流）相位相同，节点两边的点的相位相反。 短路为例 当 当 因此， 两波节之间相位相同 波节的两侧相位相反,(3) 传输线上同一位置z处电压与电流的相位差90。电压沿线为正弦变化，电流则为余弦变化，叫空间相差，表现在分布图上为电压波腹点对应于电流波节点。 （4）传输线上同一位置z处电压与电流的在时间上也90。电压与电流表达式上差了一个j因子，叫时间相差。电压达到最大时，电流最小，反之亦然，电压达最大时电流为零或相反，所以驻波状态只有能量的存贮并无能量的传输。,
9、传输线的工作状态驻波状态,高功率传输时，驻波太大可能会击穿传输线或线上的元器件应避免的状态,(5) 传输线的输入阻抗为纯电抗，其值随频率和位置变化而变化；当频率在一定范围内变化时，不同长度的驻波线可分别等效为电感、电容、串联谐振电路或并联谐振电路。,该电抗随频率会在电感和电容以及0之间变化， 串联和并联是可以相互等效的,该电抗随频率都呈电感效应,该电抗随频率都呈电容效应,5.6.3 行驻波状态最普遍的部分反射情况 产生条件：传输线终端为一般负载，即 波的分布状态：传输线上既有行波又有驻波，称为行 驻波。波节不为零，波腹也不等于终端入射波振幅的 两倍，反射波小于入射波。 行驻波状态下，有,RL0
10、 XL0时，RLZ0,传输线的工作状态行驻波状态,因此电压电流的表达式为：,注意：与行波、驻波的差别,由形式似乎看出： 前一部分是行波，而后一部分是全驻波。,行驻波状态下的工作参量,电压驻波比S的物理意义是电压振幅最大值与最小值之比。它应大于等于1。对于行波为，对于全驻波为无穷大。电压驻波比S是系统参量，而不是线上各点的函数。,负载阻抗与驻波系数，驻波相位的关系式为,波腹处，输入阻抗为 波节处，输入阻抗为,行驻波状态下沿线电压电流振幅分布,特点： 电压电流分纯驻波分布完全相似 RLjXL的情况与jXL类似 RLZo与开路类似 RLZo与短路类似 其不同点是： 行驻波的波腹不等于入射波振幅的2倍
11、，而是与反射系数有关，为入射波振幅的 行驻波的波节不等于0，而是与反射系数有关，为入射波振幅的,不同负载条件下，波在同轴线上的状态,行波,不同负载条件下，波在同轴线上的状态,驻波,不同负载条件下，波在同轴线上的状态,容性负载,不同负载条件下，波在同轴线上的状态,感性负载,不同负载条件下，波在同轴线上的状态,非匹配电阻性负载，行驻波,不同负载条件下，波在微带线上的状态,不同负载条件下，波在微带线上的状态,不同负载条件下，波在微带线上的状态,与传输线长度相关的特殊情况,传输线为四分之波长奇数倍的时候，1、纯电抗元件的类型发生变化；2、开路状态与短路状态可互相变换。3、电阻元件的阻值可实现归一化的倒数。 作用：用于滤波器和阻抗变换器中。 传输线为半波长整数倍（四分之波长偶数倍）的时候，端接负载阻抗不发生变化。,
