微波技术与天线第1章(1.1.3)

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1、 长线理论长线理论(传输线理论传输线理论)又称一维分布参数电路理论，是微又称一维分布参数电路理论，是微波电路设计和计算的理论基础。波电路设计和计算的理论基础。 本章从本章从“路路” 的观点出发，研究微波传输线的基本传输特的观点出发，研究微波传输线的基本传输特性，讨论用性，讨论用 SMITH 圆图进行阻抗计算和阻抗匹配的方法。圆图进行阻抗计算和阻抗匹配的方法。长线（传输线）长线（传输线） 用来引导电磁波的装置。用来引导电磁波的装置。导行波：导行波：由传输系统引导，向一定方向传播的电磁波。由传输系统引导，向一定方向传播的电磁波。微波传输线与低频传输线的不同点：微波传输线与低频传输线的不同点： 1.

2、 微波传输线种类繁多微波传输线种类繁多, , 按其所传输的导行波型可分按其所传输的导行波型可分为三大类：为三大类：(1) TEM波传输线波传输线 双导体双导体 传传 输输 线线平行双导线平行双导线同轴线同轴线带状线带状线微微 带带 TEM波传输线属双导体系统，其频带宽，但在高频段传输电波传输线属双导体系统，其频带宽，但在高频段传输电磁能量损耗较大。磁能量损耗较大。(2) 金属波导传输线金属波导传输线, 其传输模式为其传输模式为TE、TM波。波。矩形波导矩形波导 圆形波导圆形波导 脊脊 形形 波波 导导椭圆波导椭圆波导 金属波金属波 导导 传传 输输 线线 金属波导传输线属单导体传输系统，又称色

3、散波传输线。金属波导传输线属单导体传输系统，又称色散波传输线。具有损耗小、功率容量大、体积大、频带窄等特点。具有损耗小、功率容量大、体积大、频带窄等特点。(3) 介质（表面波）传输线介质（表面波）传输线介质波导介质波导 镜镜 像像 线线 单根表面波传输线单根表面波传输线 介质介质 传传 输输 线线 主要用于传输表面波主要用于传输表面波, 电磁能量沿传输线的表面传输。具有电磁能量沿传输线的表面传输。具有结构简单、体积小等优点。结构简单、体积小等优点。 当传输线的横截面方向尺寸比线上传输的信号波长小得多、而轴当传输线的横截面方向尺寸比线上传输的信号波长小得多、而轴向尺寸向尺寸 (即长度即长度) 远

4、比信号波长大时远比信号波长大时, 可将传输线看成一维分布参可将传输线看成一维分布参数电路数电路（长线）（长线）。 2. 微波传输线不仅能传输电磁能量微波传输线不仅能传输电磁能量, 还可用来构成各种微波元件还可用来构成各种微波元件( 如谐振腔、滤波器、阻抗匹配器、定向耦合器等如谐振腔、滤波器、阻抗匹配器、定向耦合器等 ) 。这与低频。这与低频传输线截然不同。传输线截然不同。 本节讨论的是传输本节讨论的是传输TEM波的传输线，可用双导线模型进行分析。波的传输线，可用双导线模型进行分析。平行双导线平行双导线同同 轴轴 线线一. 长线与短线的概念长线与短线的概念相对长度相对长度l/ 称为传输线的称为传

5、输线的电长度电长度。 通常，当通常，当 ： l/ 0.05 , 即线长度与工作波长可比拟或更长即线长度与工作波长可比拟或更长的称为的称为长线长线； 当当 ： l / 0.05 , 即线长度与工作波长相比可即线长度与工作波长相比可忽略不计的为忽略不计的为短线短线。 例如：例如： 传输传输3GHz ( =10cm)的同轴线的同轴线, 长长 l = 0.5m, 输送市电的电力传输线输送市电的电力传输线 ( f =50Hz, = 6000 km )， 长长 l 达达几千米，几千米，为为 短线短线。为为 长线长线。 显然，微波传输线属于显然，微波传输线属于“长线长线”的范畴，故本节称的范畴，故本节称为为

6、 “长线理论长线理论” ，即微波传输线基本理论。，即微波传输线基本理论。长线和短线的区别还在于：长线和短线的区别还在于：长线为分布参数电路长线为分布参数电路, , 短线为集总参数电路短线为集总参数电路。 低频电路中低频电路中, 电路元件参数电路元件参数(R、L、C)基本上都集中在相应的基本上都集中在相应的元件元件 (电阻、电感器、电容器电阻、电感器、电容器)中中, 称为集总参数。电路中还存在称为集总参数。电路中还存在着元件间连线的电阻、电感和导线间的电容等，称为分布参数。着元件间连线的电阻、电感和导线间的电容等，称为分布参数。低频电路中低频电路中, 分布参数的量值与集总参数的量值相比微乎其微分

7、布参数的量值与集总参数的量值相比微乎其微, 可忽略不计可忽略不计, 为集总参数电路为集总参数电路。低频传输线为短线低频传输线为短线, 在电路中只在电路中只起连接线作用。起连接线作用。导体周围高频磁场导体周围高频磁场串联分布电感；串联分布电感；两导体间高频电场两导体间高频电场并联分布电容；并联分布电容；传输线上处处存在分布电阻、分布电感，线间处处存在分传输线上处处存在分布电阻、分布电感，线间处处存在分布电容和分布电导。布电容和分布电导。微波信号通过传输线时会产生以下分布参数：微波信号通过传输线时会产生以下分布参数：例：设双导线的分布电感例：设双导线的分布电感L0=0.999nH/mm， 分布电容

8、分布电容C0=0.0111pF/mm ; 工作在工作在 f = 50Hz时引入的时引入的串联电抗、串联电抗、并联导纳：并联导纳： XLf =50Hz=L=2f L0=31410-3 /mm Bcf=50Hz=C=2f C0 =3.4910-12 S /mm当频率升到当频率升到 f = 5000MHz时：时： XLf=5000MHz=L=2fL0 =31.4 /mm Bcf=5000MHz=2fC0 =3.4910-4 S /mm后者是前者的后者是前者的一亿一亿倍倍，其分布参数效应不容，其分布参数效应不容忽视。忽视。当双导线工作在微波波段时，分布参数的影响不容忽视。当双导线工作在微波波段时，分布

9、参数的影响不容忽视。 微波传输线为长线微波传输线为长线, 其电路参数其电路参数 ( ) 及电路物理量及电路物理量 (u、i )，都是沿线分布的，都是沿线分布的(是是 z，t 的函数的函数)，称之为分布参数电路，称之为分布参数电路，必须用传输线理论来研究。必须用传输线理论来研究。 传输线上处处存在分布电阻、分布电感、线间处处存在分布传输线上处处存在分布电阻、分布电感、线间处处存在分布电容和分布电导。根据传输线上分布参数均匀与否，可将传输线电容和分布电导。根据传输线上分布参数均匀与否，可将传输线分为均匀传输线和非均匀传输线。分为均匀传输线和非均匀传输线。 1. 均匀传输线均匀传输线(均匀长线均匀长

10、线)： 分布参数沿线均匀分布，与位置分布参数沿线均匀分布，与位置无关。无关。本节只限于研究均匀传输线。本节只限于研究均匀传输线。1111,R L C G 分布电阻分布电阻 R1 (/m)：单位长度传输线段的总电阻值。与导线：单位长度传输线段的总电阻值。与导线的材料及截面尺寸有关，理想导体的的材料及截面尺寸有关，理想导体的R1 =0。 分布电导分布电导G1(S/m) ：单位长度传输线段的并联电导值。与导：单位长度传输线段的并联电导值。与导线周围介质材料的损耗角有关线周围介质材料的损耗角有关 ，理想介质的，理想介质的G1 =0。 分布电感分布电感 L1 (H/m) ：单位长度传输线段的自感。与导线

11、截面：单位长度传输线段的自感。与导线截面尺寸、线间距及介质的磁导率有关。尺寸、线间距及介质的磁导率有关。 分布电容分布电容C1 (F/m) ：单位长度传输线段间的电容。与导线截：单位长度传输线段间的电容。与导线截面尺寸、线间距及介质的介电常数有关。面尺寸、线间距及介质的介电常数有关。2. 均匀传输线均匀传输线的分布参数分布参数： 对于均匀无耗传输线，对于均匀无耗传输线，R1= 0 ， G1 = 0； 3. 均匀传输线的等效电路均匀传输线的等效电路 对于均匀传输线对于均匀传输线, 由于分布参数均匀分布，故可任取一小段由于分布参数均匀分布，故可任取一小段线元线元 z 0的极限的极限1111( ,