第一章 传 输线 理论

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1、第1章 传输线理论,2014.3,内容简介,1.1 认识传输线 1.2 同轴线 1.3 同轴电缆 1.4 微带线 1.5 双线传输线,传输线理论,射频识别（Ratio Frequency Identication，RFID），是20世纪80年代发展起来的一种自动识别技术，RFID利用射频信号的空间耦合实现无接触信息传输并通过所传输的信息进行目标识别。射频识别包括射频（RF）与识别（ID）两个部分。其中“射频”部分主要指电子标签和读写器中的射频电路即射频前端和天线，是实现射频识别的基础。 本章将引入射频电路中的基本概念传输线，并对其做简单的介绍。,认识传输线,随着信息系统工作频率的提高和高速数字

2、电路的发展，必须考虑传输距离对信号幅度相位（ 频域）和波形时延（ 时域）的影响。本章从电路的观点出发，将传输线看作分布参数电路，与下一章导波理论相比较，传输线理论不考虑具体传输线的结构和横向纵向的场分布，只关心电压电流或等效电压电流沿传输线的变化。相对于场的理论而言，传输线是一种简化的模型，它不包括横向（ 垂直于传输线的截面）场分布的信息，却保留了纵向（ 沿传输线方向）波动现象的主要特征。对于许多微波工程中各种器件部件，采用这种简化的模型进行分析计算仍然是非常有效的和简洁的。在频域，我们所关心的是稳态解，应用入射波、反射波、幅度、相位等概念来描述线上的工作状态；在时域，我们所关心的是瞬态解，应

3、用入射波、反射波、时延、瞬态波形等概念来描述线上的工作状态。传统的传输线理论注重频域稳态解。在实际工作中，由于高速数字电路的飞速发展，传输线上时域信号的瞬态解正日益引起人们的关注和研究。,认识传输线,一、传输线的基本概念 1、定义 传输线:是用来引导传输电磁波能量和信息的装置，例如：信号从发射机到天线或从天线到接收机的传送都是由传输线来完成的。(或凡是用来把电磁能从电路的一端送到电路的另一端的设备统称为传输线)。如图所示。,2 、对传输线的基本要求 （1）传输损耗要小，传输效率要高； （2）工作频带要宽，以增加传输信息容量和保证信号的无畸变传输； （3）在大功率系统中，要求传输功率容量要大；

4、（4）尺寸要小，重量要轻，以及能便于生产和安装。 (为了满足上述要求，在不同的工作条件下，需采用不同型式的传输线。在低频时,普通的双根导线就可以完成传输作用,但是,随着工作频率的升高,由于导线的趋肤效应和辐射效应的增大使它的正常工作被破坏.因此,在高频和微波波段必须采用与低频时完全不同的传输线形式),认识传输线,传输线的构成 从传输模式上看，传输线上传输的电磁波可以分为三种类型。 （1）TEM波（横电磁波）：电场和磁场都与电磁场传播方向垂直。 （2）TE波（横电波）：电场与电磁场传播方向垂直，传播方向上只有磁场分量。 （3）TM波（横磁波）：磁场与电磁波传播方向垂直，传播方向只有电场分量。,T

5、EM波模型如图1-1所示，电场（E）与磁场（H）与电磁波传播方向（V）垂直。TEM传输线上电磁波的传播速度与频率无关。本课程中射频电路只涉及TEM传输线。,认识传输线,3、传输线分类 TEM传输线有很多种类，常用的有双线传输线、同轴线、带状线和微带线（传输准TEM波），用来传输TEM波的传输线一般由两个（或两个以上）导体组成。,（1） 横电磁波（TEM波）传输线，如双导线、同轴线、带状线等。常用波段米波、分米波、厘米波。 (a)平行双导线 （b）同轴线 （c）带状线,（2）波导传输线（TE和TM波），如矩形、圆形、脊形和椭圆形波导等。厘米波、豪米波低端。 （a）矩形波导 （b）圆形波导 （c）

6、脊形波导,（3）表面波传输线：如介质波导、介质镜像线、单根线等。其传输模式一般为混合波型。适用于毫米波。 （a）介质波导 （b）镜像线 （c）单根表面波传输线,认识传输线,长线的含义 传输线是传输电磁能量的一种装置，在低频电路中的导线属于传输线的一种特例。低频传输线中（导线），电流几乎均匀分布在导线内部。随着工作频率的升高，波长不断减小，电流集中在导体表面，内部几乎没有能量传输。传输线上的电压和电流随着空间位置的不同而变化，电流和电压呈现出波动性。我们引入长线的概念来区分它们。 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，则称为短线。可见二者是相对概念

7、，取决于传输线的电长度而不是几何长度。 在射频电路中，传输线的几何长度有时只有几厘米，但是因为这个长度已经大于工作波长或与工作波长差不多，仍称为长线；而输送市电的电力线，即使几何长度为几千米，单与市电的波长（如6000km）相比，还是小得多，所以将其视为短线。,1、长线效应 设传输线的几何长度为 ，其上工作波长为 。（下面定义几个参数） 电长度： 一般称 为传输线的电长度（电刻度）。 长线： 一般认为电长度 (或0.05)的传输线是长线。（相应地 比 小的多的传输线就是短线。）。 在微波下工作的传输线，其几何长度与它的工作波长相比较， 比 还长或者两者可以相比拟，也就是说一般在微波波段满足长线

8、这个条件。 注意：长线是一个相对的概念，它指的是电长度而不是几何长度。 例如：当 时， 米3厘米， 则几厘米的传输线就应视为长线；,当 时， 则 千米，即使长为几百米长的线却仍是短线。,2、 结论 在微波频率时，传输线的分布参数效应不能被忽略，而认为传输线的各部分都存在有电感、电容、电阻和电导，也就是说，这时传输线和阻抗元件已融为一体，它们构成的是分布参数电路，即在传输线上处处有贮能、处处有损耗。也正是如此，在微波下，传输线的作用除传输信号外还可用于构成各种微波电路元件。,3、传输线的分布参数及其等效电路 （1）分布参数: 当高频信号通过传输线时，将产生如下分布参数效应： （a）由于电流流过导

9、线，而构成导线的导体为非理想的，所以导线就会发热，这表明导线本身具有分布电阻；（单位长度传输线上的分布电阻用 表示。） （b）由于导线间绝缘不完善（即介质不理想）而存在漏电流，这表明导线间处处有分布电导；（单位长度分布电导用 表示 。） （c）由于导线中通过电流，其周围就有磁场，因而导线上存在分布电感的效应；(单位长度分布电感用 表示。) （d）由于导线间有电压，导线间便有电场，于是导线间存在分布电容的效应；(单位长度分布电容 用表示。),R1为单位长度损耗电阻；G1为单位长度损耗电导；L1为单位长度电感，简称分布电感；C1为单位长度电容，简称分布电容。当 R1=0、G1=0时称为无耗传输线。

10、,（2）均匀传输线 根据传输线上分布参数均匀与否，可将传输线分为均匀和不均匀两种，下面讨论均匀传输线。 均匀传输线：两根导线材料相同，长度远大于两线间距离，并沿长度方向线间距离相等及周围介质均匀的传输线。 在均匀传输线上，分布参数R、L、C、G是沿线均匀分布的，即任一点分布参数都是相同的，用R1、L1、C1、G1分别表示传输线单位长度的电阻、电感 、电容、电导。,认识传输线,同轴线是常见的信号传输线，中心的铜芯是传送高电平的，被绝缘材料包覆；绝缘材料外面是与铜芯共轴的筒状金属薄层，传输低电平，同时起到屏蔽作用。 几乎所有射频系统或测试设备的外 接线都是同轴线。通常，外导体接地， 电磁场被限定在

11、内外导体之间，所以同 轴线基本没有辐射损耗，几乎不受外界 信号干扰。其工作频带比双线传输线宽 ，可以用于大于厘米波的波段。,二、同轴线,认识传输线,1、同轴线的结构 同轴线的结构，由外向内依次是护套、外导体（屏蔽层）、绝缘介质和内导体4部分。下面我们就分别介绍一下每一部分的作用。 护套，即最外面是一层绝缘层，起保护作用，室外电缆宜用具有优良气候特性的黑色聚乙烯，室内用户电缆从美观考虑则宜采用浅色的聚乙烯。 外导体（屏蔽层），同轴电缆的外导体有双重作用，它既作为传输回路的一根导线，传输低电平，又具有屏蔽作用，外导体通常有3种结构。 （1）金属管状。这种结构采用铜或铝带纵包焊接，或者是无缝铜管挤包

12、拉延而成，这种结构形式的屏蔽性能最好，但柔软性差，常用于干线电缆。 （2）铝塑料复合带纵包搭接。这种结构有较好的屏蔽作用，且制造成本低，但由于外导体是带纵缝的圆管，电磁波会从缝隙处穿出而泄漏，应慎重使用。 （3）编织网与铝塑复合带纵包组合。这是从单一编织网结构发展而来的，它具有柔软性好、重量轻和接头可靠等特点，实验证明，采用合理的复合结构，对屏蔽性能有很大的提高，目前这种结构形式被大量使用。,认识传输线,2、同轴线的类型 按照同轴线应用的位置，大致可以分为3种类型： 1、干线电缆：其绝缘外径一般为9mm以上的粗电缆，要求损耗小，柔软性要求不高。上海卫星电视安装网 2、支线电缆：其绝缘外径一般为

13、7mm以上的中粗电缆，要求损耗小， 同时也要一定的柔软性。 3、用户分配网电缆：其绝缘外径一般为5mm，损耗要求不是主要的，但要求良好的柔软性和室内统一直协调性。 在具体应用的时候，如果布线长度过长而导致信号衰减严重的话，选择粗一点的同轴线是个不错的主意。 从同轴电缆的型号大致看出其结构类型，下面给出我国电缆的统一型号编制方法以及代号含义，供大家参考。同轴电缆的命名通常由4部分组成。 国标后面的第一个数字是，特性阻抗，特性阻抗是结构决定的，与导体电阻无关，可以理解为线缆无限长时的阻抗，常用的是75、50、93。 第二个数字是，外金属的内径，数字越大表明越粗，为了保证稳定的特征阻抗，内导体也会相

14、应的的变粗。 第三个数字是序号，各序号之间的差异要看厂家的说明，没有统一的规定。同轴最早是美国用在军事上，美国军标中的RG-59（75）、RG-58（50）、RG-213（50）是我们常用到的。,认识传输线,3、同轴线的特征 （1）特性阻抗，同轴电缆的主体是由内、外两导体构成的，对于导体中流动的电流存在着电阻与电感，对导体间的电压存在着电导与电容，这些特性是沿线路分布的，称为分布常数，由于在制造中尺寸精度和介质材料纯度不均匀的影响，在有线电视系统中尽管要求使用的同轴电缆特性阻抗为75，但通常实际使用的同轴电缆的特性阻抗为（755）。因此，为防止产生信号能量反射，达到最好的传输效果，终端负载阻抗

15、也应尽量等于电缆的特性阻抗。 （2）衰减特性，同轴电缆的衰减特性通常用衰减常数来表示，即：单位长度（如100m）电缆对信号衰减的分贝数。衰减常数与信号的工作频率F的平均方根成正比，即频率越高，衰减常数越大，频率越低，衰减常数越小。一般来讲，5mm粗的家用，100m问题不大。,认识传输线,（3）使用限期，任何电缆都有一定的寿命，电缆在使用一段时间后，由于材料老化，导体电阻变大，绝缘介质的漏电流增加，当电缆的衰减常数比标称值增加10%-15%时，该电缆就应该更新，一般电缆的寿命根据质量和使用场合的不同在7-20年。 （4）屏蔽特性，屏蔽特性是衡量同轴电缆抗干扰能力的一个参数，也是衡量同轴电缆防泄漏

16、的一个重要参数。如果电缆屏蔽不好，传输信号不仅会受到外来杂波的串扰，影响有线电视信号质量，也会泄漏出去干扰其他信号，为非有线电视用户所接收，严重影响有线电视的正常入户，收到邻居的有线信号就是这个原因。,认识传输线,（5）温度系数，温度系数表示温度变化对电缆特性的影响程度，温度升高，电缆的损耗增加，温度降低，电缆的损耗减少。电缆衰减值的温度变化量大约为0.2%dB/，表明电缆衰减在原基础上变化0.2%，若温度变化为25，则电缆的衰减量变化5%dB。另外，同轴电缆的衰减量随频率的不同是存在斜度的，温度的变化不仅会引起衰减量的变化，而且会引起斜度的变化。在实际工作中，消除温度变化对系统影响的措施是采用温度补偿型放大器、自动增益控制放大器和自动斜率控制放大器。家庭使用，这方面基本不需要考虑。,三、同轴电缆,同轴电缆（Coaxtal CabLe）常用于设备与设备之间的连接，或应用在总线型网络拓扑中。是指有两个同心导体，而导体和屏蔽层又共