《简明微波》精编版课件.ppt

1、西安电子科技大学西安电子科技大学 微波技术研究所微波技术研究所 MICROWAVE RESEARCH INSTITUE 例题讲解第第1 1讲讲 微波概念微波概念第讲Problems微波是电磁波，是一段特殊频率的电磁波！微波是电磁波，是一段特殊频率的电磁波！MaxwellMaxwell方程组的物理意义：方程组的物理意义：HjEJEjHtBEJtDH 西安电子科技大学西安电子科技大学 微波技术研究所微波技术研究所 MICROWAVE RESEARCH INSTITUE波技术和路技术不同：波技术和路技术不同：路技术路技术 local local 波技术波技术 全局全局 路技术路技术 听话听话 波技术

2、波技术 不听话不听话-传输线传输线Problems d Edzk Ed Hdzk H22222200EAeA ejkzjkz12EHk 波技术中的波技术中的波阻抗波阻抗不同，空间中的波阻抗相同，不同，空间中的波阻抗相同，微波不反射，波阻抗不同，微波产生反射。微波不反射，波阻抗不同，微波产生反射。西安电子科技大学西安电子科技大学 微波技术研究所微波技术研究所 MICROWAVE RESEARCH INSTITUE第第2 2讲讲 传输线方程传输线方程微波传输柱微波传输柱514t-9514t-9根金箍棒的重量！根金箍棒的重量！微波传微波传输线必须走自己的路。输线必须走自己的路。DdJJSEH 传 输

3、 空 间传输线方程也称电报方程。在沟通大西洋电缆传输线方程也称电报方程。在沟通大西洋电缆(海底电缆海底电缆)时，开尔芬首先发现了时，开尔芬首先发现了长线效应长线效应：uu z tii z t(,)(,)西安电子科技大学西安电子科技大学 微波技术研究所微波技术研究所 MICROWAVE RESEARCH INSTITUEReview 微波传输时发生了什么微波传输时发生了什么?电感、电容电感、电容 参数：参数：反射系数反射系数 抓住主要矛盾：只研究传输抓住主要矛盾：只研究传输Z方向方向。三维问题化简为。三维问题化简为一维问题！一维问题！()()()()dU zj LI zdzdi zj CU zd

4、z支配方程通过频率把电流转化为电压的变化，通过频率把电流转化为电压的变化，又通过频率把电压转化成电流的变化又通过频率把电压转化成电流的变化相互转化。同时有位置的变化相互转化。同时有位置的变化地点，产生波动；这就是地点，产生波动；这就是本质本质。这。这就是就是传输线方程。传输线方程。注意此方程除了频注意此方程除了频率外只有一个参数率外只有一个参数Z,主要矛盾主要矛盾。西安电子科技大学西安电子科技大学 微波技术研究所微波技术研究所 MICROWAVE RESEARCH INSTITUEReview 不同传输线的特征反映在哪里？这根传输线与哪根传不同传输线的特征反映在哪里？这根传输线与哪根传输线的区

5、别在哪里？输线的区别在哪里？我们要把一次特征量转化成传输相关的特征量我们要把一次特征量转化成传输相关的特征量二次特征量二次特征量一次特征量一次特征量 L-单位长度电感单位长度电感 C-单位长度电容单位长度电容012ppgLCLCLZCf二次特征量西安电子科技大学西安电子科技大学 微波技术研究所微波技术研究所 MICROWAVE RESEARCH INSTITUE第第2 2讲讲 传输线方程传输线方程i(z)i(z+u(z)u(z+zz+zz)z)L zR zC zG zdudzRj L IZIdIdzGj C UYU()()dUdzj LIdIdzj CUdEdzjHdHdzjEd UdzUd

6、IdzI22222200d Edzk Ed Hdzk H22222200,LCk 西安电子科技大学西安电子科技大学 微波技术研究所微波技术研究所 MICROWAVE RESEARCH INSTITUE第第2 2讲讲 传输线方程传输线方程U zAeA eI zzAeA ej zj zj zj z()()()120121E zAeA eH zAeA ej zj zj zj z()()()121210LZC边界条件边界条件 终端边界条件终端边界条件 源端边界条件源端边界条件 电源阻抗条件电源阻抗条件U zU lzjZ I lzI zjU lZzI lz()()cos()sin()()sin()cos

7、00U zUzjZ IzI zjUZzIz()()cos()sin()()sin()cos 000000西安电子科技大学西安电子科技大学 微波技术研究所微波技术研究所 MICROWAVE RESEARCH INSTITUE 3.3.电源阻抗条件电源阻抗条件(已知已知 ),gglEZZ01202120gggjllE ZAAZZAeA0000glglglZZZZ,ZZZZ ADDE ZZZeADDE ZeZZegggljlgljlggljl1100222020211()()()()II()000(0);();()gglllUEI ZI lI U lI Z分别考虑源条件再考虑终端条件，构成线性方程组

8、分别考虑源条件再考虑终端条件，构成线性方程组 西安电子科技大学西安电子科技大学 微波技术研究所微波技术研究所 MICROWAVE RESEARCH INSTITUE0202(0)()(1)(0)gjlggjllE ZuZZee 2020220()()(1)()()(1)j zjlj zglejlgglj zjlj zglejlgglE ZeeeU zZZEeeeI zZZ 注记：传输线方程通解中有注记：传输线方程通解中有 两个常数，而源两个常数，而源阻抗已知条件为阻抗已知条件为 有三个常数，这之间是有三个常数，这之间是否有矛盾否有矛盾?AA12和EZZggl、观察观察 可知，真正的独立参数为可

9、知，真正的独立参数为AA12,0(0)(0)(0)()(0)(0)1()(0)(0)j zj zj zj zUUU zUeUeI zUeUeZ 西安电子科技大学西安电子科技大学 微波技术研究所微波技术研究所 MICROWAVE RESEARCH INSTITUE第第3 3讲讲 传输状态传输状态 反映传输线任以何一点特性的参量是反映传输线任以何一点特性的参量是反射系数反射系数和和阻抗阻抗Z Z。ZlUlIlI z0zU z12001200000011()()()22 ()()(0)(0)111()()()()221 ()()(0)j zj zj zj zllllj zj zj zj zj zj

10、zllllj zU zAeA eUZ I eUZ I eUzUzUeUeI zAeA eUZ I eUZ I eZZZIzIzUeZ(0)j zUe西安电子科技大学西安电子科技大学 微波技术研究所微波技术研究所 MICROWAVE RESEARCH INSTITUE)0()0()0()0(/)0()0()0(/)0()0(zzzzIzIzzUzUzlll一率采用电压反射系数负载电流反射系数负载电压反射系数)0()0()(/)()(zjzjezUezUzUzUzz的电压反射系数任意出2)(zjlez系负载反射与输入反射关)(1)()()(1)()(zzIzIzzUzU 一、传输线的反射系数 和阻

11、抗 Z01()(0)(0)()(0)(0)j zj zj zj zU zUeUeI zUeUeZ西安电子科技大学西安电子科技大学 微波技术研究所微波技术研究所 MICROWAVE RESEARCH INSTITUE性质性质反射系数的模是无耗传输线系统的不变量反射系数的模是无耗传输线系统的不变量 (3-3)(3-3)反射系数呈周期性反射系数呈周期性 (3-4)(3-4)这一性质的深层原因是传输线的波动性，也称为二这一性质的深层原因是传输线的波动性，也称为二分之一波长的重复性。分之一波长的重复性。入射波电压与入射波电流之比始终是不变量入射波电压与入射波电流之比始终是不变量Z Z0 0，反反射波电压

12、与反射波电流之比又是不变量射波电压与反射波电流之比又是不变量-Z-Z0 0|)(|lz)()2/(zgmz00()/()()/()UzIzZUzIzZ 一、传输线的反射系数 和阻抗 Z2)(zjlez系负载反射与输入反射关01()(0)(0)()(0)(0)j zj zj zj zU zUeUeI zUeUeZ西安电子科技大学西安电子科技大学 微波技术研究所微波技术研究所 MICROWAVE RESEARCH INSTITUE2.2.阻抗阻抗Z Z/lllZUI)(/)()(zIzUzZZ出输入阻抗任意00()cossin1()sincosllllU zz UjZz II zjz Uz IZt

13、antan)(000zjZZzjZZZzZll 输入阻抗与负载阻抗关系 性质性质负载阻抗负载阻抗Z ZL L通过传输线段通过传输线段 变换成变换成Z()Z()，因，因此传输线对于阻抗有变换器此传输线对于阻抗有变换器(Transformer)Transformer)的作用。的作用。z z 终端阻抗coslz I 阻抗有周期特性，阻抗有周期特性，周期是周期是 tan z)()2/(zZmzZg000tan()tanllZjZzZ zZZjZz西安电子科技大学西安电子科技大学 微波技术研究所微波技术研究所 MICROWAVE RESEARCH INSTITUE第第3 3讲讲 传输状态传输状态行波状态

14、，驻波状态，行驻波状态00000011 )()()()(1)(1)(ZZZZZZzZzZZzZzzzZzZzllllll情况任意情况任意)(1)()()(1)()(zzIzIzzUzU西安电子科技大学西安电子科技大学 微波技术研究所微波技术研究所 MICROWAVE RESEARCH INSTITUE第第3 3讲讲 传输状态传输状态行波状态zjzjzjzjeIeZIUZzIeUeZIUzU000000000)(21)()(21)(0)(ZzZ全驻波状态【定理】【定理】传输线全反射的条件是负载接纯电抗传输线全反射的条件是负载接纯电抗短路状态短路状态10llZ，开路状态开路状态1llZ，()|()

15、222l0ll22l0lRZX1RZX西安电子科技大学西安电子科技大学 微波技术研究所微波技术研究所 MICROWAVE RESEARCH INSTITUE第第3 3讲讲 传输状态传输状态sin2)(sin2)(sin2)(cos2)(cos2)(sin2)(zIzIzUjzUzIjzIzIzIzUzUzUjzUllllll开路状态短路状态tan)(tan)(tan)(000zjZzZzcjZzZzjZzZlje21西安电子科技大学西安电子科技大学 微波技术研究所微波技术研究所 MICROWAVE RESEARCH INSTITUE第第3 3讲讲 传输状态传输状态lllljlljXRZel1|

16、，其中z00UII,Z=R+XlllUUUmaxmin 电压驻波比电压驻波比 VSWR(Voltage Standing Wave Ratio)|1|1lltan()()tan()01jzzZ zZjzz 西安电子科技大学西安电子科技大学 微波技术研究所微波技术研究所 MICROWAVE RESEARCH INSTITUEReview000011)(ZXjZXjZZZZlllll011tan2ZXl22011)(zjlzjleeZzZ22011)(zjzjeeZzZ)2()2(011)(llzjzjeeZzZlggz442011tan2ZXgz西安电子科技大学西安电子科技大学 微波技术研究所微

17、波技术研究所 MICROWAVE RESEARCH INSTITUEReview()()()(|)|sin()lj zj zll1jj z2lllllU zUeeU1ej2Ue1z2 2)1()(zjzjlleeUzU|)|1(|)(|)|1(|)(|minmaxllllUzUUzUminmax|)(|)(|1|1zUzUll西安电子科技大学西安电子科技大学 微波技术研究所微波技术研究所 MICROWAVE RESEARCH INSTITUEReview()()|()|(|)cos()(|)sin()(|)cos()(|)sin()tan()tan()llj 2 zl0j 2 zlllll0l

18、lll01eZ zZ1e111zj 1z22Z111zj 1z221jzzZjzz llllllllljXRZjXRZZZZZZZZZ)()(000000lllllRZXRZX0101tantan()l1z2 llllRZXRZXgz0101tantan4西安电子科技大学西安电子科技大学 微波技术研究所微波技术研究所 MICROWAVE RESEARCH INSTITUEReview西安电子科技大学西安电子科技大学 微波技术研究所微波技术研究所 MICROWAVE RESEARCH INSTITUE功率关系)(|21)(02zPZUzPil行波传输线行波传输线全驻波传输线全驻波传输线0)(zP

19、入射波功率等于反射波功率。入射波功率等于反射波功率。在电压波腹或波节点，由于阻抗是纯阻，因此电压、在电压波腹或波节点，由于阻抗是纯阻，因此电压、电流必然同相电流必然同相 02maxmaxmin02minminmax|21|21)(|21|21)(ZIIUzPZUIUzP传输线传输线愈大传输功率愈小。愈大传输功率愈小。西安电子科技大学西安电子科技大学 微波技术研究所微波技术研究所 MICROWAVE RESEARCH INSTITUE矩阵解矩阵解有限长度的传输线段有限长度的传输线段 L强调强调：传输线仅仅是一种变化：传输线仅仅是一种变化(Transform)11,IU22,IU传输线传输线Z0c

20、ossinsincosjZjZ001西安电子科技大学西安电子科技大学 微波技术研究所微波技术研究所 MICROWAVE RESEARCH INSTITUE矩阵解（一般情况）矩阵解（一般情况）U1I1I2U2NetworkUIAAAAUI1111122122221.级联性质 2.对称性质3.无耗性质 4.互易性质 UIAUIiNNiN111AA1122AAA112221,RealAImagenary12det A 1西安电子科技大学西安电子科技大学 微波技术研究所微波技术研究所 MICROWAVE RESEARCH INSTITUE5.阻抗变换性质 ZA ZAA ZAinll11122122用于

21、传输线用于传输线Zi nZi nZi nZ0Z0Z0Zl西安电子科技大学西安电子科技大学 微波技术研究所微波技术研究所 MICROWAVE RESEARCH INSTITUE三点决定一个网络三点决定一个网络 独立测量独立测量 4个量个量互易定理互易定理RealA=1,imagA=0UIAAAAUI111112212222西安电子科技大学西安电子科技大学 微波技术研究所微波技术研究所 MICROWAVE RESEARCH INSTITUE波长数波长数（短路始，向电源）（短路始，向电源）波长数波长数（短路始，向负载）（短路始，向负载）反射系数相位反射系数相位（与（与x轴夹角，度数）轴夹角，度数）电

22、阻值电阻值电抗值电抗值驻波比驻波比西安电子科技大学西安电子科技大学 微波技术研究所微波技术研究所 MICROWAVE RESEARCH INSTITUE西安电子科技大学西安电子科技大学 微波技术研究所微波技术研究所 MICROWAVE RESEARCH INSTITUE西安电子科技大学西安电子科技大学 微波技术研究所微波技术研究所 MICROWAVE RESEARCH INSTITUE2、单枝节匹配、单枝节匹配ldYBin=1+jYin=1YBin=-jYBll=+Gl匹配对象：任意负载匹配对象：任意负载 其中其中 调节参数：枝节距负载距离调节参数：枝节距负载距离d 和枝节长度和枝节长度l。l

23、llx jrZ 0lr由结果推向原因由结果推向原因匹配结果要求匹配结果要求枝节并联要求枝节并联要求枝节无耗要求枝节无耗要求传输线等传输线等 要求要求00.1jYin inininYYY jbYb jYinin1LinYY,必定在等必定在等 圆上圆上西安电子科技大学西安电子科技大学 微波技术研究所微波技术研究所 MICROWAVE RESEARCH INSTITUE例例1 1Z=50的无耗传输线，接负载的无耗传输线，接负载Zl=25+j75 采用并联单枝节匹配采用并联单枝节匹配 必定在等必定在等 圆上圆上LinYY,jbYb jYinin1inininYYY 0.308)(2.21)192.0(

24、2.21对应对应jYjYinin西安电子科技大学西安电子科技大学 微波技术研究所微波技术研究所 MICROWAVE RESEARCH INSTITUEYbY3YaY1YlY2Y4l2l1d=81l由结果推向原因由结果推向原因匹配结果要求匹配结果要求枝节并联要求枝节并联要求枝节无耗要求枝节无耗要求传输线等传输线等 要求要求00.1jYbjbYb jY431aYY,343YYYin必定在等必定在等 圆上圆上枝节并联要求枝节并联要求21YYYaD=1/8波长要求波长要求从从 的匹配圆的匹配圆 到到 辅助圆辅助圆3YaY枝节无耗要求枝节无耗要求b jYYjbgYLll21西安电子科技大学西安电子科技大

25、学 微波技术研究所微波技术研究所 MICROWAVE RESEARCH INSTITUEYbY3YaY1YlY2Y4l2l1d=81l传输线等传输线等 要求要求aYY,3必定在等必定在等 圆上圆上D=1/8波长要求波长要求从从 的匹配圆的匹配圆 到到 辅助圆辅助圆3YaYir0辅助圆Y3轨迹Ya轨迹匹配圆枝节无耗要求枝节无耗要求jbYb jY431西安电子科技大学西安电子科技大学 微波技术研究所微波技术研究所 MICROWAVE RESEARCH INSTITUE微分方微分方程法程法采用支配方程采用支配方程+边界条件求出具体解传输线边界条件求出具体解传输线的通解是入射波的通解是入射波+反射波，

26、边界条件给出具反射波，边界条件给出具体的组合比例体的组合比例矩阵法矩阵法把传输线问题处理成各类矩阵的运算这些把传输线问题处理成各类矩阵的运算这些矩阵具有普遍性，与具体边界条件无关矩阵具有普遍性，与具体边界条件无关Smith圆图法圆图法以以圆为基底，覆上圆为基底，覆上Z和和构成构成Smith圆图圆图采用阻抗（或导纳）归一，电长度归一，使圆图运采用阻抗（或导纳）归一，电长度归一，使圆图运算更具普遍性算更具普遍性CAD法法Computer的发展使我们着力把传输线的基的发展使我们着力把传输线的基本问题转化为本问题转化为Computer programProblems 西安电子科技大学西安电子科技大学

27、微波技术研究所微波技术研究所 MICROWAVE RESEARCH INSTITUE例例1 无耗双导线特性阻抗无耗双导线特性阻抗 。Z0500Zjl300250工作波长=80cm 现在欲以现在欲以 线使负载与传输线匹配，求线使负载与传输线匹配，求 线的特性阻线的特性阻 抗抗 和安放位置和安放位置d。/4/4ZoProblems 西安电子科技大学西安电子科技大学 微波技术研究所微波技术研究所 MICROWAVE RESEARCH INSTITUE 解法解法1 圆图法圆图法 1.取阻抗归一化取阻抗归一化 Z=ZZ=.+j.ll00605（对应（对应0.094）2.向电源转向纯电阻（波腹）处向电源转

28、向纯电阻（波腹）处 R 220.3.求出求出 反归一反归一 d 02500940156.dd1248.cmZRo.14832 4.反归一反归一 ZZZooo.74162420 cmir向 电 源0.094ZlR=r2.200.25图图 10-2 Problems Z0500lZ300j250=80cm西安电子科技大学西安电子科技大学 微波技术研究所微波技术研究所 MICROWAVE RESEARCH INSTITUE解法解法2 已经学过由任意电抗已经学过由任意电抗 变换到纯阻变换到纯阻的电长度为：的电长度为：Zrjxlll694.681tan1tan11llllrxrx取取+值，向波腹点变换值

29、，向波腹点变换11180111306015461237223611495374769.dZZoo cm Problems lllllRZXRZX0101tantanir向 电 源0.094ZlR=r2.200.25=80cm西安电子科技大学西安电子科技大学 微波技术研究所微波技术研究所 MICROWAVE RESEARCH INSTITUE2236029130604046323710668833438.dZZoo cm Problems 事实上应该还有一组事实上应该还有一组 ir向 电 源0.094ZlR=r2.200.25西安电子科技大学西安电子科技大学 微波技术研究所微波技术研究所 MIC

30、ROWAVE RESEARCH INSTITUE已知驻波比已知驻波比和最小点位置和最小点位置dmin1求求Zl已知已知Zl用单枝节匹配用单枝节匹配 Problems 例例2 在特性阻抗为在特性阻抗为600的无耗双导线上，测得的无耗双导线上，测得|U|max=200，|U|min=40，dmin1=0.15问问Zl为何值？今采用短路并联枝节匹配，求枝节位置为何值？今采用短路并联枝节匹配，求枝节位置 和长度和长度 。dl解解 这个问题可以分解成两个部分：这个问题可以分解成两个部分：西安电子科技大学西安电子科技大学 微波技术研究所微波技术研究所 MICROWAVE RESEARCH INSTITUE

31、反归一反归一 ZZZjll0276732ir向 负 载Zl0.00.2000.460.15-j1.22Problems 1.根据定义根据定义|.maxminminUUd2004050151注意波节点注意波节点 ，且向，且向负载负载旋转旋转0.15。可得可得 R 1020/.Zjl046122.600|U|max=200，|U|min=40，dmin1=0.15西安电子科技大学西安电子科技大学 微波技术研究所微波技术研究所 MICROWAVE RESEARCH INSTITUE2.已知已知 要用单枝节匹配要用单枝节匹配 Z反演成导纳计算反演成导纳计算 Yjl032070010.(.)对应按等按等|圆向电源旋转到匹配圆圆向电源旋转到匹配圆 YjYj110180018210180032.(.).(.)对应对应枝节距离枝节距离 dd12018010008032010022(.).(.).枝节长度枝节长度 ll12033025008017025042(.).(.).ir000.250.180.320.10YLY2Y1Zjl046122.ir向 负 载Zl0.00.2000.460.15-j1.22