传输线及S参数-PPT.ppt
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1、第3章微波基础和常用无源器件1各种微波集成传输系统微带线微带线共面波导共面波导槽线槽线鳍线鳍线介质波导介质波导镜像线镜像线H形波导形波导G形波导形波导准准TEM波传波传输线输线 非非TEM波传波传输线输线 开放式介开放式介质波导质波导半开放式半开放式介质波导介质波导2射频电路中常用的传输线双线传输线;双线传输线;同轴传输线;同轴传输线;微带线;微带线;电波在无损耗传输线内流动原理图。红色电波在无损耗传输线内流动原理图。红色代表代表高电压,高电压,蓝色代表低电压。黑色圆点蓝色代表低电压。黑色圆点代表电子。代表电子。传输线接传输线接于阻抗匹配的于阻抗匹配的负载电负载电阻(右边的盒子)上,波形完全被
2、吸收。阻(右边的盒子)上,波形完全被吸收。3双线传输线缺缺点点:导导体体发发射射的的电电和和磁磁力力线线延延伸伸到到无无限限远远,并并影影响响附附近近的的电电子子设设备备;导导体体类类似似一一个个大大天天线线,辐辐射射损损耗耗大大;(仅仅用用于于电电视视设备中)设备中)4同轴传输线外导体通常接地,所以辐射损耗和场干扰都特别小,适合高外导体通常接地,所以辐射损耗和场干扰都特别小,适合高频传输。频传输。5几个常用的概念特征阻抗、输入阻抗特征阻抗、输入阻抗反射系数;反射系数;驻波比;驻波比;S参数参数67z,m0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 2000 0.2 0.
3、4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 1.8 2.0V(z,t)V(z,t)20 10 0-10-20 20 10 0-10-20t,s-VAVVBzVz=RGVARLABVGz相速度相速度当当时,时,=94.86m设设导导线线方方向向与与z 轴轴方方向向一一致致,长长度度为为1.5cm,忽忽略其电阻,略其电阻,在在f=1MHz时电压空间变化不明显。时电压空间变化不明显。当当 f=10GHz时时,=0.949cm,与与导导线线长长度度相相似似,测量结果如图。测量结果如图。传输线基本理论V(z+z)z+z L2R2GR1L1Czz+z-z+I(z+z)I(z)V(z)-+当当频频率
4、率高高到到必必须须考考虑虑电电压压和和电电流流的的空空间间特特性性时时,基基尔尔霍霍夫夫定定律律不不能能直直接接应应用用,而而要要用用分分布布参参量量R、L、C和和G表表示示(根根据据经经验验,当当分分立立元元件件平平均均尺尺寸寸大大于于波波长长1/10时时应应该应用传输线理论该应用传输线理论)。特性阻抗特性阻抗:无耗时:无耗时:R=G=08沿线电压分布和电流分布 沿线电压和电流沿线电压和电流注意正方向的选取注意正方向的选取!+表示沿表示沿+z方向传播方向传播 -表示沿表示沿-z方向方向传播传播传播常数(传播常数()和)和特征阻抗表征传输线的自特征阻抗表征传输线的自身身特性特性9输入阻抗传传输
5、输线线上上任任意意一一点点电电压压与与电电流流之之比比称称为为阻阻抗抗,它它与与导导波波系系统的状态特性密不可分。统的状态特性密不可分。微微波波阻阻抗抗是是不不能能直直接接测测量量的的,只只能能借借助助于于状状态态参参量量的的测测量量而获得。而获得。均匀无耗传输线的输入阻抗为均匀无耗传输线的输入阻抗为 结论结论均匀无耗传输线上任意一点的输入阻抗与观察点的位置、传输线的特性均匀无耗传输线上任意一点的输入阻抗与观察点的位置、传输线的特性阻抗、终端负载阻抗及工作频率有关,且一般为复数,故不宜直接测量。阻抗、终端负载阻抗及工作频率有关,且一般为复数,故不宜直接测量。由于由于tan(z+/2)=tan(
6、z),所以所以Zin(z+/2)=Zin(z),即传输线上的阻即传输线上的阻抗具有抗具有/2的周期性。的周期性。10例例1 一根特性阻抗为一根特性阻抗为50、长度为、长度为0.1875m的无耗均匀线,的无耗均匀线,其工作频率为其工作频率为200MHz,终端接有负载终端接有负载Zl=40+j30 ,试求其试求其输入阻抗。输入阻抗。解:工作频率解:工作频率f=200MHz,故相移常数故相移常数=2 f/c=4/3,由于由于 Zl=40+j30 、Z0=50 、z=l=0.1875m,因而得输入阻抗因而得输入阻抗结结论论:若若终终端端负负载载为为复复数数,传传输输线线上上任任意意点点处处输输入入阻阻
7、抗抗一一般般也也为为复复数数,但但若若传传输输线线的的长长度度合合适适,则则其其输输入入阻阻抗抗可可变变换为实数,这也称为传输线的阻抗变换特性。换为实数,这也称为传输线的阻抗变换特性。11反射系数(reflection coefficient)n对无耗传输线对无耗传输线 ,终端负载为终端负载为Zl,则则 n对对均均匀匀无无耗耗传传输输线线来来说说,任任意意点点反反射射系系数数大大小小相相等等,沿沿线线只只有有相相位位按按周周期变化,其周期为期变化,其周期为 ,即反射系数具有,即反射系数具有 重复性。重复性。反射系数反射系数:传输线传输线上任意一点处的反射波电压(或电流)与入射波电上任意一点处的
8、反射波电压(或电流)与入射波电压(或电流)之比,即压(或电流)之比,即式中式中称为称为终端反射系数终端反射系数12当当z=0时时(0)=l,则终端反射系数则终端反射系数输入阻抗与反射系数的关系传输线上电压、电流又可以表示为传输线上电压、电流又可以表示为于是有于是有上式也可写成上式也可写成输入阻抗与输入阻抗与反射系数反射系数有一一对应有一一对应的关系!的关系!13讨论n当当 时时,n当终端开路当终端开路 或或短路短路 或或接纯电抗负载时,终端反射系数接纯电抗负载时,终端反射系数它它表明传输线上没有反射波,只存在由电源向负载方向传播的行波表明传输线上没有反射波,只存在由电源向负载方向传播的行波 此
9、时表明入射到终端的电磁波全部被反射回去此时表明入射到终端的电磁波全部被反射回去。n而当终端负载为任意复数时,一部分入射波被负载吸收,一部分被反射而当终端负载为任意复数时,一部分入射波被负载吸收,一部分被反射回去。回去。n当传输线特性阻抗一定时,输入阻抗与反射系数有一一对应的关系,当传输线特性阻抗一定时,输入阻抗与反射系数有一一对应的关系,因此,输入阻抗可通过反射系数的测量来确定。因此,输入阻抗可通过反射系数的测量来确定。14 驻波比(standing wave ratio(VSWR))n电压驻波比电压驻波比传输线上电压最大值与电压最传输线上电压最大值与电压最小值之比,衡量失配程度小值之比,衡量
10、失配程度n电压驻波比电压驻波比为为n反射系数大小用反射系数大小用驻波比来表示为驻波比来表示为(1 )15驻波比Incident wave(blue)is fully reflected(red wave)out of phase at short-circuited end of transmission line creating a net voltage(black)standing wave.=-1,SWR=.Standing waves on transmission line,net voltage shown in different colors during one peri
11、od of oscillation.Incoming wave from left(amplitude=1)is partially reflected with(top to bottom)=.6,-.333,and.860.Resulting SWR=4,2,9.16小结特征阻抗:特征阻抗是微波传输线的固有特性,它等于模式电压与模式电流特征阻抗:特征阻抗是微波传输线的固有特性,它等于模式电压与模式电流之比。无耗传输线的特征阻抗为实数,有耗传输线的特征阻抗为复数。在做之比。无耗传输线的特征阻抗为实数,有耗传输线的特征阻抗为复数。在做PCB板设计时,需要考虑匹配问题,考虑信号线的特征阻抗是否等
12、于所连接板设计时,需要考虑匹配问题,考虑信号线的特征阻抗是否等于所连接前后级部件的阻抗。当不相等时会产生反射,造成失真和功率损失。前后级部件的阻抗。当不相等时会产生反射,造成失真和功率损失。反射系数:反射系数:驻波比:驻波系数是衡量负载匹配程度的一个标志,它在数值上等于驻波比:驻波系数是衡量负载匹配程度的一个标志,它在数值上等于回波损耗:也是用来反映端口匹配状况的。回波损耗表示端口的反射波功回波损耗:也是用来反映端口匹配状况的。回波损耗表示端口的反射波功率与入射波功率之比。率与入射波功率之比。17u反反射射系系数数的的取取值值范范围围是是01,驻驻波波比比的的取取值值范范围围是是1,射射频频接
13、接口口中中一一般要求驻波系数小于般要求驻波系数小于2.0。u驻驻波波比比恶恶化化意意味味着着信信号号反反射射比比较较厉厉害害,也也就就是是负负载载和和传传输输线线的的匹匹配配效效果果比比较较差差,驻驻波波比比差差会会使使传传输输效效果果变变差差,通通道道增增益益下下降降,以以至至于于灵灵敏敏度下降度下降。u当当反反射射系系数数为为0时时,驻驻波波比比为为1,当当反反射射系系数数接接近近1(实实际际情情况况下下不不可可能能为为1)时时,驻波比取值接近驻波比取值接近无穷大。无穷大。u回回波波损损耗耗26dB时时,反反射射系系数数为为0.05,驻驻波波比比为为:1.1,驻驻波波比比为为2的的时时候,
14、回波损耗候,回波损耗9.5dB。18开路传输线、短路传输线,开路传输线、短路传输线,/4传输线传输线单端口和多端口网络 网网络络模模型型可可以以大大量量减减少少无无源源和和有有源源器器件件数数目目;避避开开电电路路的的复复杂杂性性和和非非线线性性效效应应;简简化化网网络络输输入入和和输输出出特特性性的的关关系系;最最重重要要的的是是不不必必了了解解系系统统内内部的结构就可以通过实验确定网络输入和输出参数。部的结构就可以通过实验确定网络输入和输出参数。基本基本定义定义多端口多端口 网络网络-i4+v4单端口单端口 网络网络-i1+v1-iN-1+vN-1双端口双端口 网络网络-i2+v2-i1+
15、v1-i1+v1-i3+v3-iN+vN-i2+v24 端口端口N 端口端口2 端口端口3 端口端口1 端口端口N-1端口端口其中阻抗阻抗矩阵矩阵19其中同理:例例 求形网络的阻抗矩阵和导纳矩阵。解:解:i2v2+-+ZCZAv1ZBi1结论:通过假设网络端口为开路或短路状态,容易测得全部参数,且互易。结论:通过假设网络端口为开路或短路状态,容易测得全部参数,且互易。导纳导纳矩阵矩阵利用矩阵,可以进行网络串联、并联计算。利用矩阵,可以进行网络串联、并联计算。20用散射参量表征器件的特性在绝大多数涉及射频系统的技术资料和数据手册中,经常用到在绝大多数涉及射频系统的技术资料和数据手册中,经常用到散
16、射参量(散射参量(S参数),其重要原因在于:参数),其重要原因在于:实际接收系统的特性不能采用终端开路、短路的测量方法;实际接收系统的特性不能采用终端开路、短路的测量方法;当采用导线形成短路线时,导线本身存在电感,而且其电感量当采用导线形成短路线时,导线本身存在电感,而且其电感量在高频下非常大;在高频下非常大;若采用终端开路,也会在终端形成负载电容,另外,当涉及若采用终端开路,也会在终端形成负载电容,另外,当涉及电电波电波波电波传播时也并不希望发射系数的模等于传播时也并不希望发射系数的模等于1例如,终端的不连续性将导致有害的电压、电波反射,并产生例如,终端的不连续性将导致有害的电压、电波反射,
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