微波2567.pptx

第第 2 章各种形式的微波传输线章各种形式的微波传输线 2.1概论概论 2.2平行双线平行双线 2.3同轴线同轴线 2.4矩形波导矩形波导 2.5圆形波导圆形波导 2.6介质波导介质波导 2.7微带线微带线 2.8平行耦合微带线平行耦合微带线 2.9槽线槽线 共面波导共面波导 鳍线鳍线 基片集成波导基片集成波导 2.10 微波传输线中波的激励与模式转换微波传输线中波的激励与模式转换第第 2 章各种形式的微波传输线章各种形式的微波传输线2.5圆形波导圆形波导(Circular Waveguide)251 圆形波导的传输特性圆形波导的传输特性252 圆形波导中的三个主要模式及其应用圆形波导中的三个主要模式及其应用 251 圆形波导的传输特性圆形波导的传输特性图图 2.5-1圆形波导及其坐标系圆形波导及其坐标系 TMmn模的截止波长模的截止波长:m阶贝塞尔函数的第阶贝塞尔函数的第n个根。个根。TEmn模的截止波长模的截止波长:m阶贝塞尔阶贝塞尔导函数导函数的第的第n个根。个根。m:代表沿半圆周方向的半驻波数代表沿半圆周方向的半驻波数;n:代表沿半径方向的半驻波数。代表沿半径方向的半驻波数。Hmn(TEmn)模模Emn(TMmn)模模模式模式 c模式模式 cH01H02H03H11H12H13H21H221.64R0.90R0.62R3.41R1.18R0.74R2.06R0.94RE01E02E03E11E12E13E21E222.62R1.14R0.72R1.64R0.90R0.62R1.22R0.75R图图 2.5-2圆形波导截止波长分布图圆形波导截止波长分布图 cTE11(H11)模模的截止波长最长的截止波长最长,为为 图图 2.5-2圆形波导截止波长分布图圆形波导截止波长分布图 cTM01(E01)模的截止波长模的截止波长单模传输条件单模传输条件Hmn(TEmn)模模Emn(TMmn)模模模式模式 c模式模式 cH01H02H03H11H12H13H21H221.64R0.90R0.62R3.41R1.18R0.74R2.06R0.94RE01E02E03E11E12E13E21E222.62R1.14R0.72R1.64R0.90R0.62R1.22R0.75R c1、E-H简并简并 2、极化简并、极化简并 TM1n 模模和和 TE0n 模模的的截截止止波波长长相相等等，二二者者可可在在圆圆形形波导中同时出现。波导中同时出现。极化方向互相垂直的同一种模式在圆波导中同时存在。极化方向互相垂直的同一种模式在圆波导中同时存在。简并现象：简并现象：轴对称的轴对称的TE0n模和模和TM0n 模没有极化简并现象。模没有极化简并现象。252 圆形波导中的三个主要模式及其应用圆形波导中的三个主要模式及其应用和和矩矩形形波波导导不不同同，圆圆形形波波导导除除应应用用最最低低次次模模以以外外，还应用高次模。还应用高次模。常用的三个工作模式常用的三个工作模式:TE11 模、模、TM01 模和模和 TE01 模。模。利利用用这这三三种种模模式式场场结结构构的的特特点点可可以以构构成成有有特特殊殊用用途的波导元件。途的波导元件。1圆形波导中的最低次模圆形波导中的最低次模 TE11 模模TE11 模是圆形波导所有模式中的最低次模。模是圆形波导所有模式中的最低次模。图图 2.5-3圆形波导圆形波导 TE11 模电磁场结构分布图模电磁场结构分布图 圆圆形形波波导导 TE11 模模与与矩矩形形波波导导 TE10 模模的的场场结结构构很很相似，二者之间可以方便地实现相互转换。相似，二者之间可以方便地实现相互转换。矩形波导矩形波导 TE10 模电磁场结构分布图模电磁场结构分布图 图图 2.5-3圆形波导圆形波导 TE11 模电磁场结构分布图模电磁场结构分布图 为为保保证证转转换换前前后后各各参参数数不不发发生生变变化化，要要求求两两种种模模式式有有相相同同的截止波长的截止波长2a=3.41R 加加工工制制造造误误差差使使TE11 模模传传输输时时会会产产生生极极化化简简并并现现象。象。虽虽然然圆圆形形波波导导 TE11 模模是是最最低低次次模模，但但一一般般都都不不采采用用这种模式来传输微波功率。这种模式来传输微波功率。实实践践中中都都是是采采用用矩矩形形波波导导 TE10 模传输微波功率。模传输微波功率。在一些特殊情况下应用圆形波导在一些特殊情况下应用圆形波导 TE11 模的简并特性。模的简并特性。(1)在在雷雷达达设设备备中中需需要要传传输输圆圆极极化化波波的的时时候候，利利用用圆圆形形波导波导 TE11 模很方便；模很方便；(2)在在多多路路通通信信收收发发共共用用天天线线中中采采用用两两个个不不同同极极化化的的 TE11 模，以避免收发之间的耦合。模，以避免收发之间的耦合。(3)圆圆形形波波导导的的 TE11 模模还还用用于于铁铁氧氧体体环环行行器器、极极化化衰衰减器和极化变换器之中。减器和极化变换器之中。2 2用作旋转连接的用作旋转连接的TMTM0101模模电磁场分布：电磁场分布：TM01 模模TM 型波的最低次模。型波的最低次模。(书上有错书上有错!)!)电流分布：电流分布：管壁内表面上只有纵向的电流。管壁内表面上只有纵向的电流。应用：应用：用作天线扫描装置旋转关节的工作模式。用作天线扫描装置旋转关节的工作模式。图图 2.5-7圆形波导圆形波导 TM01 模电磁场结构分布图模电磁场结构分布图 使用使用TM01 模时必须设法消除模时必须设法消除TE11 模。模。3 3用作高用作高Q Q 谐振腔和远距离通信的谐振腔和远距离通信的TETE0101模模（1）电磁场分布）电磁场分布（2）这种模式不存在极化简并现象。这种模式不存在极化简并现象。图图 2.5-6圆形波导圆形波导 TE01 模电磁场结构分布图模电磁场结构分布图 电流分布：电流分布：圆波导壁内表面上电流只沿圆周方向流动。圆波导壁内表面上电流只沿圆周方向流动。特点：特点：随着工作频率升高，波导管壁的热损耗单调下降。随着工作频率升高，波导管壁的热损耗单调下降。应应用用:毫毫米米波波远远距距离离通通信信、构构成成高高品品质质因因数数微微波波谐谐振振腔腔、电子设备的连接线和雷达天线的馈线电子设备的连接线和雷达天线的馈线。图图 2.5-6圆形波导圆形波导 TE01 模电磁场结构分布图模电磁场结构分布图 TE01模模式式是是高高次次模模，使使用用时时要要设设法法抑抑制制 TE11 模模和和TM01模。模。2.62.6介质波导介质波导介质波导：介质波导：由介质构成的非封闭式微波传输线。由介质构成的非封闭式微波传输线。电电磁磁场场分分布布：电电磁磁波波沿沿着着介介质质波波导导在在介介质质内内部部和和表表面附近区域中进行传输。面附近区域中进行传输。表表面面波波：电电磁磁场场在在介介质质外外沿沿横横向向方方向向随随离离开开介介质质表表面面距离的增加按指数规律衰减。距离的增加按指数规律衰减。工作原理：工作原理：根据折射定律，有根据折射定律，有因为因为 1 2，所以，所以 t i。时时产产生生全全反反射射，电电磁磁波波不不能能进进入入低低介介电电常常数数的的介介质质区区域，域，c称为称为临界角临界角。当当 1 比比 2大很多时，大很多时，c很小很小,很容易产生全反射。很容易产生全反射。1 2（1）高高介介电电常常数数介介质质界界面面与与导导体体界界面面类类似似，也也能能使使电电磁波发生完全的或接近完全的反射。磁波发生完全的或接近完全的反射。正正因因为为高高介介电电常常数数介介质质界界面面具具有有完完全全反反射射电电磁磁波波的的特特性性，因因此此，与与在在金金属属波波导导中中一一样样，电电磁磁波波也也能能被被限限制制在在高高介介电电常常数数介介质质中中而而沿沿介介质质传传输输，从从而而就就可可以以构构成成介介质波导。质波导。（2）在在导导体体壁壁上上的的边边界界条条件件是是电电场场的的切切向向分分量量为为零零，即为即为电壁电壁(Electric Wall)；（3）在在高高介介电电常常数数介介质质界界面面上上的的边边界界条条件件是是磁磁场场的的切切向分量近似为零，即为向分量近似为零，即为磁壁磁壁(Magnetic Wall)。2.72.7微带线微带线(Microstrip Line)(Microstrip Line)271 微带线的结构微带线的结构图图 2.8-1微带线结构示意图微带线结构示意图优点：优点：体积小、重量轻、频带宽、可集成化；体积小、重量轻、频带宽、可集成化；缺点：缺点：损耗大，效率低，功率容量低。损耗大，效率低，功率容量低。分类：分类：对称微带线（对称微带线（带状线带状线）和不对称微带线（）和不对称微带线（微带微带）。）。带状线可以看成是由同轴线演变而来的。带状线可以看成是由同轴线演变而来的。工作模式：工作模式：纯纯 TEM 模。模。缺缺点点：不不便便于于外外接接固固态态器器件件，不不宜宜用用于于微微波波有有源源电电路路，本节将不对此做详细讨论。本节将不对此做详细讨论。优优点点：没没有有色色散散，没没有有辐辐射射，损损耗耗小小，效效率率高高，适适于于做高性能的无源微波元件。做高性能的无源微波元件。微带线可以看成是由平行双导线演变而来的。微带线可以看成是由平行双导线演变而来的。常常用用的的介介质质基基片片材材料料：99%Al2O3 瓷瓷、石石英英蓝蓝宝宝石石或或聚聚四四氟氟乙乙烯烯、玻玻璃璃纤纤维维等等低低损损耗耗介介质质，接接地地板板和和导体带条常用铜等良导体做成。导体带条常用铜等良导体做成。注注:尽尽管管微微带带线线是是由由平平行行双双线线演演变变而而来来的的，但但由由于于在在导导体体带带条条和和接接地地板板之之间间填填充充了了介介质质，使使电电磁磁场场被被束束缚缚在介质附近传输，辐射损耗并不大。在介质附近传输，辐射损耗并不大。2 27 72 2 微带线中的工作模式微带线中的工作模式 微微带带线线填填充充的的是是空空气气和和基基片片构构成成的的混混合合介介质质，为为满满足足介介质质与与空空气气分分界界面面上上的的边边界界条条件件，电电场场和和磁磁场场的的纵纵向向分量都不为零。分量都不为零。当当工工作作频频率率较较低低时时，纵纵向向场场分分量量比比较较弱弱，其其场场分分布布与与 TEM 模模很很相相似似,故故称称为为“准准 TEM 模模”，并并按按 TEM 模处理。模处理。有有效效介介电电常常数数 e:在在微微带带尺尺寸寸及及其其特特性性阻阻抗抗不不变变的的情情况况下下，用用一一均均匀匀介介质质完完全全填填充充微微带带周周围围空空间间，以以取取代代微微带带的的混混合合介介质质，该该假假想想均均匀匀介介质质的的相相对对介介电电常常数数称称为为有效介电常数有效介电常数 e。计算有效介电常数的经验公式计算有效介电常数的经验公式2 27 73 3 微带线的特性阻抗微带线的特性阻抗引引入入有有效效介介电电常常数数以以后后，微微带带线线的的特特性性参参量量就就可可以以用均匀介质来处理了。用均匀介质来处理了。Z01：空气微带线的特性阻抗。：空气微带线的特性阻抗。微带线的特性阻抗微带线的特性阻抗:1）W/h 1 的宽带情形的宽带情形2）W/h 1 的窄带情形的窄带情形工程中把计算结果列成了表格。工程中把计算结果列成了表格。结结论论：在在介介质质基基片片相相同同的的情情况况下下，导导体体带带条条越越宽宽，特特性性阻阻抗抗就就越越小小；导导体体带带条条越越窄窄，特特性性阻阻抗抗就就越越大大。这这一一特特性在微带电路设计中非常有用。性在微带电路设计中非常有用。给定特性阻抗和相对介电常数后可由下式确定给定特性阻抗和相对介电常数后可由下式确定w/hw/h 2.8 2.8平行耦合微带线平行耦合微带线 (Coupling Microstrip Line)(Coupling Microstrip Line)图图 2.8-1耦合微带线结构示意图耦合微带线结构示意图工作模式：工作模式：“准准 TEM 模模”分分析析方方法法：“奇奇偶偶模模参参量量法法”。结结构构：由由两两根根靠靠得得很很近近的的平平行行导导体体带带条条、介介质质基基片片和和接地板构成。接地板构成。2 28 82 2 奇偶模参量法奇偶模参量法 当当给给两两根根微微带带线线输输入入等等幅幅、反反相相的的电电压压 Vo 和和 Vo 时，其电场线分布是一种奇对称分布。时，其电场线分布是一种奇对称分布。奇奇模模(Odd Mode)：相相对对于于中中心心对对称称面面具具有有奇奇对对称称分分布布的的模式，用下标模式，用下标“o”表示表示。当当给给两两根根微微带带线线输输入入等等幅幅、同同相相的的电电压压 Ve 时时，其其电场线分布是一种相互排斥的偶对称分布。电场线分布是一种相互排斥的偶对称分布。偶偶模模(Even Mode)：相相对对于于中中心心对对称称面面具具有有偶偶对对称称分分布布的的模式，用下标模式，用下标“e”表示。表示。图图 2.9-2平行耦合带线的奇偶模电场线分布平行耦合带线的奇偶模电场线分布 Vo VoVeVe 当当给给两两线线输输入入的的是是任任意意电电压压 V1 和和 V2 时时，可可以以把把 V1 和和 V2 分解成一对奇、偶模分量，即分解成一对奇、偶模分量，即将将 V1 和和 V2 分分成成奇奇模模和和偶偶模模之之后后，就就可可以以针针对对奇奇模模和和偶偶模模这这两两种种特特殊殊而而简简单单的的情情况况分分别别进进行行分分析析，然然后后再再利利用用所所得得结结果果分分析析原原问问题题的的特特性性，这这就就是是“奇奇偶偶模模参参量量法法”。图图 2.8-2平行耦合带线的奇偶模电场线分布平行耦合带线的奇偶模电场线分布 Vo VoVeVe2 28 83 3 用奇偶模参量法求平行耦合用奇偶模参量法求平行耦合 微带线的特性参量微带线的特性参量 奇奇模模激激励励时时，对对称称面面上上电电场场切切向向分分量量为为零零，为为电电壁壁(Electric Wall)(Electric Wall)；偶偶模模激激励励时时，对对称称面面上上磁磁场场切切向向分分量量为为零零，为为磁磁壁壁(Magnetic Wall)(Magnetic Wall)。图图 2.9-2平行耦合带线的奇偶模电场线分布平行耦合带线的奇偶模电场线分布 Vo VoVeVe2 28 83 3 用奇偶模参量法求平行耦合用奇偶模参量法求平行耦合 微带线的特性参量微带线的特性参量 1 1、在在奇奇、偶偶模模激激励励时时，求求其其中中一一根根传传输输线线的的特特性性参参量量时时，将将另另一一根根线线的的影影响响用用对对称称面面处处的的电电(磁磁)壁壁来来等等效。效。计算方法和步骤：计算方法和步骤：2、求求解解这这种种边边界界条条件件下下传传输输线线的的特特性性参参量量，得得到到奇奇、偶模激励时的特性阻抗。偶模激励时的特性阻抗。Z0o：奇模激励时的特性阻抗；：奇模激励时的特性阻抗；Z0e：偶模激励时的特性阻抗。：偶模激励时的特性阻抗。图图 2.9-2平行耦合带线的奇偶模电场线分布平行耦合带线的奇偶模电场线分布 Vo VoVeVe耦耦合合系系数数：反反映映平平行行耦耦合合微微带带线线两两根根导导线线之之间间耦耦合合程程度的参数。度的参数。3、平行耦合微带线中单根微带线的特性阻抗平行耦合微带线中单根微带线的特性阻抗Z0 图图 2.9-2平行耦合带线的奇偶模电场线分布平行耦合带线的奇偶模电场线分布 Vo VoVeVe1 1、两两根根导导线线耦耦合合得得越越紧紧，Z0o 与与 Z0e 之之间间的的差差值值就就越越大大，耦合系数耦合系数 k 的的值也就越大。值也就越大。2 2、当当两两根根导导体体带带条条相相距距很很远远时时，它它们们之之间间没没有有耦耦合合，耦耦合合系系数数 k 0，其其奇奇、偶偶模模特特性性阻阻抗抗相相等等，均均等等于于孤孤立单根微带线的特性阻抗，即立单根微带线的特性阻抗，即 Z0o=Z0e=Z0 。讨论：讨论：3、由由于于有有效效介介电电常常数数决决定定于于场场在在介介质质中中和和在在空空气气中中的的相相对对比比值值，而而奇奇、偶偶模模的的场场分分布布是是不不同同的的，故故奇奇、偶偶模模激激励时的相对有效介电常数励时的相对有效介电常数 eo 和和 ee 不同。不同。奇奇、偶模的相速偶模的相速、带内波长、带内波长图图 2.9-2平行耦合带线的奇偶模电场线分布平行耦合带线的奇偶模电场线分布 Vo VoVeVe在在弱弱耦耦合合下下，相相波波长长常常采采取取平平均均值值的的方方法法来来处处理理，即即耦耦合合微微带带线线特特性性阻阻抗抗的的计计算算很很复复杂杂，在在工工程程计计算算中中常采用有关曲线或图表来计算。常采用有关曲线或图表来计算。平平行行耦耦合合微微带带线线的的奇奇、偶偶模模相相速速各各不不相相同同，带带内内波波长也各不相同，这将给微带电路的设计带来很大困难。长也各不相同，这将给微带电路的设计带来很大困难。图图 2.8-3耦合微带线耦合微带线 Z0o，Z0e 与与 W/h 和和 s/h 的关系曲线的关系曲线(a)2.9 2.9 槽线槽线 共面波导共面波导 鳍线鳍线 基片集成波导基片集成波导优点：优点：槽线在结构上使两个具有电位差的导体带位于介质槽线在结构上使两个具有电位差的导体带位于介质基片的同一面，这对于安装固体器件，尤其是并接安置，基片的同一面，这对于安装固体器件，尤其是并接安置，以及对地形成短路等都是比较方便的。以及对地形成短路等都是比较方便的。291 槽线槽线(Slot Line)292 共面波导共面波导(Coplanar Waveguide)293 鳍线鳍线(Finny Line)工作模式：工作模式：准准TEM模。模。在在微微波波的的高高频频端端（如如毫毫米米波波波波段段 f 30GHz），微微带线损耗大、尺寸过小，难以加工。带线损耗大、尺寸过小，难以加工。优优点点：对对于于安安置置并并联联的元器件是很方便的。的元器件是很方便的。特点：特点：色散小、单模工作频带宽、损耗不太大、便于与固体色散小、单模工作频带宽、损耗不太大、便于与固体器件集成，易与标准矩形波导相过渡器件集成，易与标准矩形波导相过渡,并能工作在波导的整并能工作在波导的整个带宽上。个带宽上。鳍线本质上就是放置在矩形波导鳍线本质上就是放置在矩形波导E面上的槽线。面上的槽线。294 基片集成波导基片集成波导a:介质基片集成波导的宽度介质基片集成波导的宽度;d:短路针的直径；短路针的直径；p:短路针的间距短路针的间距等效波导的等效波导的归一化归一化宽度宽度等效矩形波导宽度为等效矩形波导宽度为 基片集成波导具有微带线和矩形波导的共同优点基片集成波导具有微带线和矩形波导的共同优点。基基片片集集成成波波导导等等效效成成传传统统矩矩形形波波导导之之后后，其其特特性性就可以用传统矩形波导的分析方法进行分析了。就可以用传统矩形波导的分析方法进行分析了。2.10 2.10 微波传输线中波的激励与模式转换微波传输线中波的激励与模式转换激励的方法：激励的方法：通过某种手段在所用的传输线中建立起某通过某种手段在所用的传输线中建立起某种电场或磁场或高频电流分布，所建立起的力线分布应种电场或磁场或高频电流分布，所建立起的力线分布应与所希望的模式的相应分布一致。与所希望的模式的相应分布一致。激励：激励：在微波传输线中建立起某种模式的电磁波。在微波传输线中建立起某种模式的电磁波。激励电磁场的装置激励电磁场的装置：（1）激励器；（）激励器；（2）模式转换器。）模式转换器。2101 激励器激励器1、探针电激励、探针电激励(Probe Electrical Encouragement)2、小环磁激励小环磁激励(Magnetic Encouragement)1矩矩圆波导模式转换圆波导模式转换 2102 模式转换器模式转换器2同轴同轴微带模式转换器微带模式转换器3波导波导微带模式转换器微带模式转换器