《高频西电教学课件传输线》由会员分享，可在线阅读，更多相关《高频西电教学课件传输线（35页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、 传输线理论传输线理论一.微波微波传输线二二.无耗无耗传输线方程方程三三.无耗无耗传输线的特性参量的特性参量四四.均匀无耗均匀无耗传输线工作状工作状态分析分析五五.阻抗阻抗圆图，阻抗匹配及其，阻抗匹配及其应用用主要内容主要内容一一.微波传输线微波传输线l为什么要发明传输线而不为什么要发明传输线而不用电线？用电线？在低在低频中，中，电流几乎流几乎均匀地分布在均匀地分布在导线内，内，电流和流和电荷可等效地集中在荷可等效地集中在轴线上。我上。我们只只须用用I，V和和 Ohm定律解决。不定律解决。不论导线怎怎样弯曲，能流都在弯曲，能流都在导体内部和表面附近。体内部和表面附近。JESEH1tE=2sJ,
2、r V长线长线：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。长线效应长线效应集中参数：低频时，RLC以器件的形式出现，而连接这些器件的导线都是被认为是理想的导线，可以无限延伸，而且不计损耗。分布参数：高频时，导线本身的损耗、电容、电抗特性表现出来导致线上的电压、电流随时间和位随时间和位置不停变化。置不停变化。 传输线的长度直接影响着信号的特性。这些影响分布在传输线的每一点，称为分布参数。直直线电流均匀分布流均匀分布微波集肤效微波集肤效应 频率提高后，导线中所流过的高频电流会产生趋肤效应，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
3、就是分布电阻效应分布电阻效应； 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感效应； 又由于两线间有电压，故两线间存在高频电场，这就是分分布电容效应布电容效应； 由于两线间的介质并非理想介质而存在漏电流，这相当于双线间并联一个电导，这就是分布电导效应分布电导效应。 市电线市电线微波传输线微波传输线频率低频高频理论Ohm定律Ohm定律电磁理论电流传输内部和表面附近导体表面附近电尺寸比电波长小的多常为一个波长的几分之一或几个波长传输路径导体内部空间传播表1 电线和微波传输线的比较2.1 传输线方程（均指方程（均指长线传输线）每个微元段dz可看作集总参数电路，用一个型网络来等效。i(z)
4、i(z+u(z)u(z+zz+zz)z)L zRzCzGz二.无耗传输线方程返回利用利用Kirchhoff 定律，有定律，有 我我们一般研究一般研究时谐的的变化情况，化情况，无无耗耗传输线：R=0，G=0 （忽忽略略损耗耗，只只考考虑储能能元元件的作用）件的作用）, 这时方程方程二次求二次求导的的结果果 (2-6)(2-5)2.2 无耗传输线方程无耗传输线方程和均匀平面波和均匀平面波类比比最后，求解的最后，求解的结果也作了果也作了类比比.求得通解求得通解式中：式中：（特性阻抗）（特性阻抗）2.3 无耗传输线的基本特性1.任任何何传输线上上的的电压函函数数只只可可能能是是入入射射波波和和反反射射
5、波波的的迭迭加加(构构成成Standing Wave)。不不同同传输线的的区区别仅仅在在于于入入射射波波和和反射波的成分不同。反射波的成分不同。2.边界条件确定界条件确定A1和和A2。3.波反射取决且波反射取决且仅取决于阻抗的取决于阻抗的变化，化，换句句话说信号在信号在传输线上任何阻抗上任何阻抗变化的地方，都会化的地方，都会发生信号生信号反射反射 输入阻抗与入阻抗与负载阻抗关系阻抗关系 反反映映传输线任任以以何何一一点点特特性性的的参参量量是是反反射射系系数数 和阻抗和阻抗Z。三三. 传输线的特性参量的特性参量1.阻抗阻抗Z2. 反射系数反射系数-描述了反射回源端的那部分电压。3.3.驻波系数
6、和行波系数驻波系数和行波系数驻波系数驻波系数行波系数行波系数1.无耗无耗传输线系系统的不的不变量量-反射系数的反射系数的模模2.入入射射波波电压与与入入射射波波电流流之之比比始始终是是不不变量量Z0，反反射波射波电压与反射波与反射波电流之比又是不流之比又是不变量量Z03.电压驻波比波比系统的不变量系统的不变量周期性变量周期性变量1.反射系数呈周期性反射系数呈周期性2.对给定定的的传输线和和负载阻阻抗抗，线上上各各点点的的输入入阻阻抗抗随至随至终端的距离端的距离l的不同而作周期的不同而作周期变化化波波动性性反射系数模的变化范围为驻波比的变化范围为 行波系数的变化范围为 传输线的工作状态一般分为三
7、种： 传输线上反射波的大小，可用反射系数的模、驻波比和行波系数三个参量来描述。 (1)行波状态 (3)驻波状态 (2)行驻波状态 四四. .均匀无耗传输线工作状态的分析均匀无耗传输线工作状态的分析4.1 行波状态行波状态(无反射情况无反射情况)由此可得行波状态下的分布规律： (1) 线上电压和电流的振幅恒定不变 (2) 电压行波与电流行波同相，它们的相位是位置z和时间t的函数 (3) 线上的输入阻抗处处相等，且均等于特性阻抗 4.2 驻波状态驻波状态(全反射情况全反射情况) 均均匀匀无无耗耗传传输输线线终终端端可可能能是是短短路路、开开路路还还是是接接纯纯电电抗抗负负载载三三种种状状态态，驻驻
8、波波状状态态意意味味着着入入射射波波功功率率一一点点也也没没有有被被负负载载吸吸收收，即即负负载载与与传传输输线线完完全全失失配配。 其其终终端端均均产产生生全全反反射射，沿沿线线电电压压电电流流呈呈驻驻波分布波分布，其特点为：，其特点为： (i) 驻波波腹值、波节值驻波波腹值、波节值 (ii) 相位相位。4.3 4.3 行驻行驻波工作状态（部分反射情况）波工作状态（部分反射情况） 当均匀无耗传输线终端接一般复阻抗 线上电压、电流为 归一化电压、电流分别为归一化阻抗 在复平面上用矢量表示在复平面上用矢量表示在复平面上用矢量表示在复平面上用矢量表示1CD向负载向电源1CD（1）电压波腹和波波腹和
9、波节点的位置点的位置轴为电压波腹点波腹点轴为电压波波节点点1CD向负载向电源O（2 2）阻抗特性）阻抗特性上半平面为感性阻抗上半平面为感性阻抗下半平面为容性阻抗下半平面为容性阻抗1CD向负载向负载向电源向电源O轴阻抗为纯阻且最大轴阻抗为纯阻且最大轴阻抗阻抗为纯阻且最小阻且最小五五.Smith.Smith圆图及其应用圆图及其应用5.1 阻抗原图阻抗原图阻抗圆图是由等反射系数圆和等阻抗圆组成。 复平面上等反射系数模 的轨迹是以坐标原点为圆心、 为半径的圆，这个圆称为等反射系数圆。线上移动的距离与转动的角度之间的关系为阻抗圆图具有如下几个特点： (1) 三个特殊点： (2)三条特殊线： (3) 两个
10、特殊面： 将等电阻圆和等电抗圆绘制在同一张图上，即得到等阻抗圆图 (4) 两个旋转方向 (5) 任意一点对应了四个参量等电阻圆 等电抗圆 导纳圆图与阻抗圆图的区别：（1）短路点与开路点互换）短路点与开路点互换（2）波腹线与波节线互换）波腹线与波节线互换（3）电感半圆与电容半圆互换）电感半圆与电容半圆互换（4） 与与 关于匹配点对称关于匹配点对称（5） 的相位角加的相位角加（6）相位角向信源为顺时针方向）相位角向信源为顺时针方向 向负载为逆时针方向向负载为逆时针方向阻抗圆图与导纳圆图的关系5.2 5.2 导纳圆图导纳圆图 如果以单位圆圆心为轴心，将复平面上的阻抗圆图旋转，以单位圆圆心为轴心，将复
11、平面上的阻抗圆图旋转，即可得到导纳圆图即可得到导纳圆图。 5.3 5.3 传输线的阻抗匹配传输线的阻抗匹配 目的目的：若有信号传递时，希望有电源的发出端起，在能量损失最小的情形下，能顺利的传送到接受端，而且接受端将其完全吸收而不作任何反射。（一）阻抗匹配概念（一）阻抗匹配概念传输线与负载不匹配 传输线上有驻波存在 如果信号源与传输线不匹配，不仅会影响信号源的频率和输出的稳定性，而且信号源不能给出最大功率。因此，微波传输系统一定要作到阻抗匹配。传输线功率容量降低增加传输线的衰减l阻抗匹配的重要性体现在三个方面阻抗匹配的重要性体现在三个方面1当负载和传输线匹配的时候（假设信号源是匹配的），可传输最
12、大功率，并且在馈线上损耗最低2对阻抗匹配灵敏的接收机部件（如天线，低噪声放大器等）可以改进系统的信噪比，提高频率响应的线性度3在功率分配网络中（如天线阵馈电网络），阻抗匹配可以降低振幅和相位误差目的目的1：传输线的两端阻抗与传输线的特性阻抗相等，使线上电压与电流为行波。矛盾矛盾：要求源端匹配，但是始端很难满足Zs=Rs的条件 终端也不可能满足ZL=Z0 的条件 方法方法：阻抗匹配的方法 -就是在传输线与终端之间加入一阻抗匹配网络阻抗匹配的方法： 基本方法阻抗变换器分支匹配器单枝节匹配器双枝节匹配器（死区问题）三分支匹配器目的目的2：获得最大实功率。（共轭匹配） 若Zg固定，可以证明负载与传输线
13、匹配以及源与带负载的线匹配都达不到最大效率矛盾矛盾：要求匹配思路：思路：假定Zg固定不变，改变输入阻抗Zin直到传向负载最大功率，得到Zin通过线上阻抗变换就可以求得相应的负载阻抗 Zl 。此时算出最大功率及其对应的输入阻抗：在共轭匹配的情况下，和都可能不为零，也即在传输线上有反射波，但是传送到负载的功率有可能要大于传输线上无起伏（无反射）时的传输功率。原因原因：失配线上多次反射的功率可能同相叠加的结果当源阻抗为实数（固定）时，带负载的传输线与源阻抗匹配的当源阻抗为实数（固定）时，带负载的传输线与源阻抗匹配的时候，传送到负载上的功率最大。时候，传送到负载上的功率最大。电电源源的的角角度度，可可
14、以以把把电电信信号号的的传传播播看看成成是是一一个个信信号号线线被被充充电电的的过过程程所所以以，传传输输线线的的定定义义就就是是两两个个具具有有一一定定长长度度的的导导体体就就构构成成传传输输线线。 其其中中一一个导体成为信号传输的通道，另一个导体则构成信号的返回通路（一般为地）个导体成为信号传输的通道，另一个导体则构成信号的返回通路（一般为地）返回如果信号沿互连线传播时所受到的瞬态阻抗发生变化，则一部分信号将被反射反射，另一部分发生失真失真并继续传播，这正是单一网络中多数多数信号完整性问题产生的主要原因。反射的影响反射的影响反射对信号的影响就是破坏信号完整性，有下面几方面：1信号振荡；使信
15、号在不匹配的阻抗之间来回反射，形成信号震荡，直到反射波衰减完毕。2信号过冲和信号下冲。由于反射信号可能为正、负，所以信号叠加后就会形成过冲和下冲；3由于信号振荡和阶梯效应可能引起误触发，导致数据错误（-终端匹配技术）返回以PCB上传播为例反射可能发生在线末端在线末端，或者是互连线拓扑结构发生改变的地方，如拐角、过孔、T型结构、接插件等处。因此设计互连线的目的就是尽可能保持信号受到的阻抗恒定。为了减少和消除反射减少和消除反射，在高速电路板设计中的要注意四点：1.使用可控阻抗互使用可控阻抗互连线；2.传输线两端至少有一端需要匹配；两端至少有一端需要匹配；3.采用使多分支采用使多分支产生的影响最小化
16、的布生的影响最小化的布线拓扑拓扑结构；构；4.使几何使几何结构的不构的不连续（突（突变）最小化。）最小化。为什么大多数工程师喜欢用为什么大多数工程师喜欢用50欧姆作为欧姆作为PCB的传输线阻抗的传输线阻抗 ，而不是，而不是60或者是或者是70欧姆呢？欧姆呢？l3个主要的因素会影响PCB走线的阻抗a.是PCB走线近区场的EMI（电磁干扰）和这个走线距参考平面的高度是成一定的比例关系的，高度越低意味着辐射越小。 b.串扰会随走线高度有显著的变化，把高度减少一半，串扰会减少到近四分之一 c.最后，高度越低阻抗越小，不易受电容性负载影响。(50欧姆，它的线宽更加宽，更易于制造；大多数芯片驱动不了阻抗小于50欧姆的传输线。) 在在RF领域领域，和PCB中考虑的问题不一样，但是RF工业中同轴电缆也有类似的阻抗范围。对于直径固定的外部屏蔽层和介电常数固定为的时候，50欧姆阻抗趋肤效应损耗最小。返回
