射频电路设计_第2章_传输线分析(厦)

第二章传输线分析2.1传输线理论的实质2.2传输线类型及特性2.3等效电路表示法2.4平行板传输线的电路参数2.5一般的传输线方程2.6微带传输线2.7端接负载的无耗传输线2.8特殊的终端条件2.9信号源和有载传输线传输线的定义•传输线是传输电流信号的导体。任何传输线都可以用由离散电容C、离散电感L、电阻R和电导G所组成的分布电路表示，如图1.5.1所示。其中，电阻R为单位长度的串联等效电阻，对于一个理想的传输线而言，其值应为0；G为单位长度的电导，反映传输线介质的绝缘品质，对于一个理想的传输线而言，其值应为无穷大。L为单位长度的电感，C为单位长度的电容，一个理想的传输线只有电感和电容。通常线参数R、C、L、G的值可通过对传输线的电磁场进行分析得出，这些参数与它们的截面几何尺寸及材料的电特性有关。图1.5.1传输线的等效电路（单位长度）2.1传输线理论TEM波在自由空间：电场方向与传播方向彼此正交在导体媒质中：发现电场有纵向分量Ｅz，该电场在导体中沿Ｚ方向产生电压降．正弦曲线的空间特性用沿Ｚ方向的波长λ表征；正弦曲线的时间特性用沿时间轴的时间周期表征．则空间对时间的导数，即表示相位变化的速度，称相速当频率不高时，一定长度导线内电压的空间变化并不明显，如右图：当频率较高时，当波长为1CM左右时，此时即使在很短的导线（如1.5cm）内，电压和电流的空间特性均发生了变化，如图这种情况下，只有将线细分为无限小的线元，在小线元上，才可使电压和电流保持恒定值。如图，由此可得传输线的分布电路模型如下图由上可见：从满足基尔霍夫定律要求的集总电路分析到包含有电压电流波的分布电路理论的过渡是与波长有关，并且这个过渡是在波长变得越来越与电路元件尺寸可比拟时逐渐发生的。2.1传输线理论2.2传输线的类型与特性射频电路中使用的传输线有双绞线、同轴电缆、微带线、带状线和波导等形式一、双线传输线（双绞线）缺点：相隔固定距离的双导线，由导体发射的电磁力线延伸到无限远，并影响线附近的电子设备。由于导线对的作用像一个大天线，辐射损耗很高。用途：通常作为电视或者FM接收器天线的馈线，或者作为一个偶极子的发射/接收天线的平衡式馈线。如：300平衡式传输线（双绞线）它具有极小的损耗，能够允许很高的线电压，2.2传输线的类型与特性二、同轴电缆•同轴电缆是最常用的非平衡式传输线，如图，外层屏蔽采用编织铜网（或铝箔）来进行屏蔽，以阻止同轴电缆接收和辐射任何信号。同轴电缆的内导体传输射频电流，而外部的屏蔽层导体保持地电位。通常外导体接地，故辐射损耗和场干扰都很小，工作频率可达50GHz，特性阻抗有50、75等形式。2.2传输线的类型与特性三、微带线•在涉及射频电路的印制电路板上的导体带（微带线）常被用做传输线，如图。•微带线具有低损耗和易于实现的特点，电路元器件如表面安装电容器、电阻器、晶体管等，可以直接安装在印制电路板上的微带线的导体层（印制板铜箔导线）上。•微带线是非平衡传输线，具有非屏蔽特性，因此能够辐射射频信号，虽然载流子导带下的接地平面可帮助阻挡额外的场泄露，降低辐射损耗，但仍有较高的辐射损耗，且邻近导带之间容易串扰。2.2传输线的类型与特性四、带状线•将微带线“夹”在两接地板之间。如图：导体层被放置在印制电路板的金属层（平衡的接地层）之间，因此它没有辐射。•带状线和微带线一般都有一个由玻璃纤维、聚苯乙烯、聚四氟乙烯组成的印制电路板衬底。微带线可以使用标准印制电路板的制造技术制造，与带状线相比，制造更容易。•微带结构主要用作低阻抗传输线，高功率传输线应用的是平行板线，如图2.2传输线的类型与特性五、波导•在大功率的微波应用中，波导作为传输线具有一定的优势。波导一般被制作成圆形的或方形的中空金属腔。•波导尺寸大小与波导的工作频率有关。在波导结构中，使用1/4波长的直探针耦合和环形探针耦合来注入或传输微波能量。•在现代微波电路设计中，常用同轴电缆代替波导来发射和接收射频信号。2.3传输线等效电路表示法如右图，在无限小的线段长度内满足集总参量分析，其中R、L、C、G都是单位长度的值，且都与频率有关。传输线等效线路如下图2.4传输线的电路参量•利用法拉第定律和安培定律求分布参量•安培定律：作为源的时变电场引起一旋转磁场。如：恒定电流在无限长导体中产生磁场，磁场将从导体的中心到周边呈线性增加。分布图如右•法拉第定律：作为源的时变磁场产生时变电场，电场产生感应电压。•平行板传输线的电路参量：2.4传输线的电路参量•各类传输线参量2.5一般的传输线方程利用基尔霍夫电压和电流定律，求得如右图线段的传输线方程如下：利用法拉第定律和安培定律，求得平行板传输线方程2.5一般的传输线方程行进的电压和电流波求解上述传输方程，得到描述电压和电流波的解如下：上式是沿z轴取向的传输线的通解，第一项代表波向z方向传播，振幅随Z的增加呈指数衰减；第二项代表波沿-z方向传播，振幅随Z的增加呈指数增加。2.5一般的传输线方程阻抗的定义将传输方程求微分并整理得到：定义特性阻抗为：则：特征阻抗的定义：对无限长的传输线，电压与通过该点的电流相除所得的比值保持常数，这个比值就称为传输线的特征阻抗。实际上，传输线总是有限的：当传输线趋于无穷长：信号就能无反射地沿前行方向连续传播；当传输线有限时：信号可能被传输线的终端负载反射回来，当终端负载改变时，反射信号的强度也随之改变，当终端负载可以吸收全部入射信号时，从源看进去传输线似乎有无限长的电长度，此时，线上任一点的电压与电流之比是一个常数，其值等于终端的阻抗。即：对每个传输线有一个唯一的阻抗，当传输线的终端以该阻抗值作为负载时，则不会产生回波信号。•对直流信号：•当ω→∞,ωLR及ωCG时•对无耗传输线，R→0及G→0,则2.6微带传输线的设计当t/h0.005,即线路导体厚度t与基片厚度h相比可以忽略，可用只与w、h、εr有关的经验公式当w/h12.6微带传输线的设计但无论哪种情况，得出的Z0只是近似值，且在w/h的变化范围内不是连续的函数，如下图：2.6微带传输线的设计波长：在实际应用中，给定Z0和基片的介电常数εr,计算设计w/h值相速度：2.6微带传输线的设计2.6微带传输线的设计实际上，导体厚度t不可能为0，则将厚度非零的影响近似为导体有效宽度的增加，为此以下式计算：2.7端接负载的无耗传输线一、电压反射系数：如右图：电压反射系数：表示返回的反射波与入射波有同样的极性-1表示返回的反射波与入射波有相反的幅度（阻抗匹配）0不产生反射，表示入射电压波完全被吸收2.7端接负载的无耗传输线二、传播常数和相速传播常数：衰减常数对无耗线路：R=G=0则jCjGLjR))((LCGZRY)(2100（与频率无关）2.7端接负载的无耗传输线三、驻波在传输线上有2个相反方向传播的波，但合成的信号代表一个驻波。驻波的相角不随d的变化而改变，而幅度则随传输线的位置而改变。2.7端接负载的无耗传输线2.8特殊的终端条件一、端接负载无耗传输线的输入阻抗2.8特殊的终端条件二、短路传输线2.8特殊的终端条件三、开路传输线2.8特殊的终端条件四、1/4波长传输线如λ/4变换器，可通过选择线段，使一个实数负载阻抗与一个所希望的实数输入阻抗匹配，传输线的特性阻抗等于负载和输入阻抗的几何平均值2.9信号源和有载传输线对于完整的实验系统，还必须考虑线与信号源的匹配情况一、信号源的向量表示法负载端的传输系数：输出发射系数：2.9信号源和有载传输线二、传输线的功率考虑当源和负载均与传输线特性阻抗相匹配：2.9信号源和有载传输线当负载与传输线特性阻抗相匹配，而源失配：当源和负载与传输线特性阻抗均失配：对于有耗传输线，由于信号的衰减，输入功率不等于负载功率2.9信号源和有载传输线三、输入阻抗匹配2.9信号源和有载传输线四、回波损耗和插入损耗