射频电路第3次课-1.7传输线及特性阻抗.ppt

,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,1.7,射频传输线,射频信号可以通过无线信道传输，即自由空间传输，也可以通过有线信道传输，即传输线传输。无线信道介于无线收发信设备之间，属于无线通信范畴，有专门的学科来研究其属性。传输线介于收发信设备之间，以及介于设备内部的各单元之间和元器件之间。射频传输线设计是射频有线网络、射频微波工程、光纤通信等工程的基础。,1.7.1,射频传输线的种类,射频传输线有波导,(Waveguide),、同轴电缆,(Coaxial Cable),、平行线,(Parallel line),、,PCB,微带线,(PCB Microstrip line),和带状线,(PCB Strip line),。,波导,传输射频信号的优点是功率容量大、损耗低，特别适合波长在,10cm,以上的波段。它的缺点是体积大重量大。,同轴电缆,适合传输信号功率不大，对传输线损耗要求不高的场合。,平行线,是两条材质和直径相同，在绝缘介质的支撑下相互平行的导线。它的特点是结构简单、成本低廉，早期无线电视经常用它作为天线的馈线。,近年来，随着航天科技、移动通信和以,RFID,为基础的物联网的发展，对射频元器件的小型化、轻量化、宽频带、易集成等提出了更高的要求。因此又发展了,PCB,微带线和带状线,。,几种传输线的横截面结构,传输功率容量大、损耗低，适合传输波长在,10cm,以上的射频信号。它的缺点是体积大重量大。,适合传输信号功率不大，对传输线损耗要求不高的场合,需要注意的是，特性阻抗是在行波传输时测得的，仅对射频信号有意义，它反映传输线对射频信号的传输特性。它不是传输线的直流电阻。,如果传输射频信号的传输线的特性阻抗不一致，在某处发生了变化，射频信号就会在阻抗变化处产生反射。,从分布参数理论来看，,传输线是一个分布参数系统。传输线的分布参数通常用单位长度,上的,电感,L,、电容,C,、电阻,R,和电导,G,来表示。,我们将一条较长的传输线分割成若干长度为,I,的小线段。这些小线段的等效电路表示如下：,如下图所示，无数个长度为,I,的小线段的等效电路串联组成整个传输线的等效电路。,如下图所示，组成传输线的每一小线段的阻抗相等，均为,Z,0,。,其中串联阻抗为：,Z,s,=,I,(,R,+,j,w,l,),并联阻抗为：,Z,p,=1/,I,(,G,+,j,w,C,),=,1/,Y,p,这里，,I,是线段长度；,R,、,l,、,C,和,G,分别是单位长度上的电阻、电感、电容和电导。,因此，,传输线可,由阻抗均为,Z,0,的细小线段,等效,如下。,Z,0,的计算式为：,Z,0,就是传输线在无损耗条件下的特性阻抗，它与单位传输线上的,L,、,C,、,R,和,G,有关。,因为小线段的长度,I,很小，,I,2,就更小，所以,I,和,I,2,项可以忽略。特性阻抗的计算式可以简化为：,当频率很高时,(f100kHz),，,w,l,和,w,c,很大，,R,和,G,可以忽略，计算式进一步简化为：,当频率很低时（,f1kHz,），,w,l,和,w,c,很小可以忽略，计算式进一步简化为：,从 可以看出，传输线的特性阻抗与频率关,系不大，主要取决于传输线分布参数的大小。而传输线分布参数的大小主要由传输线的几何结构和绝缘介质的特性决定。由于同一型号传输线的几何结构和绝缘介质相同，它们的分布电感,L,、电容,C,、电阻,R,和电导,G,是相同的，所以特性阻抗相同。不同型号传输线的几何结构和绝缘介质不同，它们的分布参数也不同，所以特性阻抗不同。,传输线横截面上电磁场的瞬时分布与二维静电场、静磁场的分布相似，可借助静电场和静磁场分析方法计算分布参数,C,和,L,算出特性阻抗。工程实践中可以采用本教材第,16,章介绍的,“,测量寄生电容与寄生电感,”,的方法来测量分布电容和分布电感，以及特性阻抗。,1,、同轴电缆的特性阻抗,同轴电缆的特性阻抗由下式计算。,其中，,L=,单位长度电缆的电感量,亨,/,米；,C=,单位长度电缆的电容量,法,/,米；,d,为内导体半径；,D,为外导体半径,;,e,r,为,介质的相对介电常数。,从公式看出，,同轴电缆的,特性阻抗与内外导体半径之比和介质的相对介电常数有关。,同轴电缆的特,性,阻抗可以有,35,125,很多种,其中绝大多数种类的阻抗为,5,0,或,75,。,常用于接收天线的,同轴,电缆,有,以下几种,:,RG-8/U,或,RG-8/AU5,0,大直径,RG-58/U,或,RG-58/AU5,0,小直径,RG-174/U,或,RG-174/AU,5,0,微直径,RG-11/U,或,RG-11/AU75,大直径,RG-59/U,或,RG-59/AU75,大直径,大直径,同轴电缆,较之小直径,同轴电缆,的信号损失要稍微小些,。当传输距离很长时可以考虑使用大直径同轴电缆。一般短距离传输,选择小直径,(,RG-58/U,或,RG-59/U,),同轴,电缆,例如，,作为接收天线,馈线,因为它们更容易,敷设,。,微直径的,RG-174,主要,作为器件之间的连接,(,例如接收器和预选器之间,),在平衡变压器,、,共轴转换器和仪器,上,应用,有时,也,用在接收天线上,。,2,、平行,传输线,的特性阻抗平行传输线两条线上传输的信号电压、电流大小相等，相位,(,极性,),相反。两条线路之外的电磁场将相互抵消，而两条线路之间的场强相互加强。因此，平衡式传输线对其他线路产生的噪声干扰得到抑制，也不易受其他线路产生的噪声干扰。,平行线的特性阻抗是两条导线之间的阻抗，它与每条导线对地的特性阻抗及它们之间的距离有关。,当平行线间距很大时特性阻抗最大，可以是单线对地特性阻抗的两倍。当平行线之间的间距缩小时平行线特性阻抗也降低。平行线之间的间距越小，它们之间的阻抗也越低。,平行线线特性阻抗一般为,100,，或,75,。,3,、,PCB,微带线和带状线,如图,所示,印制电路板传输线的两个基本形式是微带线和带状线。微带线由印制电路板一面的,信号线与,另一面的接地平板构成。带状线,的信号,线夹在两个接地平板之间,。,PCB,通常使用强化玻璃环氧树脂作为绝缘材料，例如,G10,、,FR-4,或,PTFE,。,带状线与微带线相比，,优点,在于信号线位于两个接地平板之间的夹层,，接地板对信号线的围绕紧密。微带线的信号线没有被接地板包围，产生的泄漏场使得微带线难于分析。这些泄漏场减小了电路板的,“,有效,”,介电常数，抬高了阻抗。这是因为一些场线穿过了空气，而空气的介电常数是,1,，而典型的印制电路板材料,FR4,为,4.7,。,微带线和带状线的特性阻抗,Zo,及电长度与信号线的宽度、厚度、到接地板的距离和相对介电常数,e,r,有关。,Zo,及电长度的计算比较复杂，可用一些软件完成。,1.7.3,同轴电缆的结构,同轴电缆是用于,传输射频信号,的最普通传输线。它由同心的,两,层,导体,组成,。,之所以叫做,“,同轴,”,是因为两层,导体有,一,条相同的,轴线,(,图,1.12),。内层导,体,是一根实心的导线,外层,导体是,屏蔽层。屏蔽层通常是用导线编织成的,也,有多线式的屏蔽层。,内绝缘层隔离开两层导体,它的材料有多种选择。常用的有聚乙烯、泡沫塑料和特氟隆,(,后者主要用于,UHF,和微波频段,),。同轴电缆的速度因子,(V),是,电缆中的信号速度与真空光速之比，,因电介质材料的不同而不同,例如,:,电介质材料,速度因子,聚乙烯,O.66,泡沫塑料,O.80,特氟纶,O.70,电视天线系统中的同轴,电缆特性,阻抗为,75,用铝金属,箔,做外层导体。,用,这种屏蔽层的电缆在很,宽,频,带,内的信号损失,都,较低,。,但是在大部分电视以外的应用中工作情况并不理想。问题出在用于外层导体的金属,箔,是铝,而铝是无法焊接的,，,这些天线通常要用,如图所示,F,形接头连接,。,对于其他应用,来说，,这种连接的信号损失就太高了。,1.7.4,同轴电缆的接头和安装,作业,1,、怎样区别,PCB,微带线和带状线？试比较它们的优缺点,2,、特性阻抗反映传输线的什么特性？怎样确定它的大小？,3,、,同轴电缆的特性阻抗和电阻分别与什么因素有关？,4、某型号同轴电缆的特性阻抗是50,，它的直流电阻就是,50,吗？,5、一般同轴电缆由哪几部分组成？,