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电信传输原理第3章 波导传输线理论

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电信传输考试资料

电信传输考试资料

第一章电信传输的基本概念1、什么是通信、电信和电信传输？电信号有哪些种类？各有什么特征？答：从广义上说，无论采用何种方法，使用何种传输媒质只要将信息从一地传送到另一地，均可称为通信。

电信号按照不同的角度可有不同的分类，按照电信号传载信息的形式的不同，可分为：模拟信号和数字信号两种类型。

模拟信号，是指模拟、仿照原有消息变化的电信号，这种信号的幅度变化是时间的连续函数；数字信号在时间上和幅度上的取值都是离散的。

数字信号在传输上有很多优点，最主要的是它的抗干扰性强。

由于它是以1、0两种状态传输的，在接收端只要正确地判断是“1”或者是“0”，就等于完全取消了干扰。

5、以功率电平为例，请简述正电平、负电平和零电平的意义。

答：由定义知，当0x P P =时，电平为零，其含义是该点的功率等于基准功率。

当0x P P <时,电平是负值,其含义是该点的功率小于基准功率。

当0x P P >时,电平是正值，其含义是该点的功率大于基准功率。

对于绝对功率电平来说，因为基准功率是lmw ，所以当1x P m W >时，电平是正值，当1x P m W =时。

电平是零值，当1x P m W <时，电平是负值。

6、试简述绝对电平和相对电平的意义以及两者之间的关系。

答：所谓某点的电平，是指电信系统中某一信号的实测功率（或电压、电流）值与某参考点的信号功率（或电压、电流）之比的对数值，某参考点的信号功率（或电压、电流）又称为基准功率（或基准电压、基准电流）。

需指出的是：基准功率是基本不变的，而基准电压或基准电流则是根据在某一阻抗上所获得的基准功率来确定的。

当阻抗变化时，基准电压或基准电流也要随之而变化。

求相对向平时所取的基准是不固定的，被测量值和基准是相对的，而绝对电平的基准是固定的。

在电话通信中，绝对电平的基准参考点的阻抗0600R =Ω，功率是01P m W =时，就可分别计算出绝对电压电平的基准电压和绝对电流电平的基准电流。

第三章 波导传输线理论

第三章 波导传输线理论

其中
K
2 C 2
2
Z
可见，只要设法解出了波导管中的纵向分量Ez、Hz，将它们 代入(3.20)式，即可求出场的全部横向分量。 当然还需根据具体波导的边界条件，才能决定纵向场中的常 数项，从而得到准确的场分量。
金属矩形波导是横截面为矩形的金属管，其轴线与z平行。
2 t 2 c
(3.9)
d 2 Z 2 ( z) 2 2 ( k k c )Z 2 ( z) 0 2 dz
(3.10)
(3.8)和(3.10)具有相同的形式，如令
k k
2 2
2 C
kc2 2 2
则有
d 2Z ( z) 2 Z ( z) 0 2 dz
同理， (3.25-b)式的解为：
Y C cos k y y D sink y y
A cos k x x B sin k x x C cos k y y D sin k y y
E Z ( x, y) XY


(3.29)
式中:常数A, B, C, D, k x , k y 都为待定常数，将由矩形波导 的边界条件决定。 利用边界条件确定常数 理想波导是理想的导体 ,与其管壁相切的电场分量应为零。 从而有:
Ez(xyz)=Ez(xy)Z1(z)
Hz(xyz)=Hz(xy)Z2(z)
(3.4)
将(3.4-a)代入(3.3)可得
2[ Ez ( x, y)Z1 ( z)] k 2 Ez ( x, y)Z1 ( z) 0
在直角坐标系中，拉普拉斯算子▽2的展开式为：
2 2 2 2 2 2 2 x y z

导波和自由空间中电磁波的差别 电磁波的能量被局限在波导内部 沿波导规定的Z方向前进 传输效率高

第3章 波导传输线理论

第3章 波导传输线理论
图3-5 方、圆波导变换器
3.2 波导传输线的常用分析方法及一般特性
• 在双线传输线理论中所讨论的是沿双线传输线
传输的TEM波，而在金属波导中是不存在TEM
波的。这是因为若金属波导管中存在TEM波，
那么磁力线应在横截面上，而磁力线应是闭合
的。根据右手螺旋规则，必有电场的纵向分量
Ez，即位移电流
Ez
t
支持磁场。若沿此闭合
磁力回线对H做线积分，积分后应等于轴向电
流（即 Hd i(z) 移位电流）。但是，在空心
波导管中根本无法形成轴向电流。因此波导管
内不可能存在TEM波。
3.2.1 波导传输线的常用分析方法
• 对波导传输线常用分析方法研究，不仅适用于金属波 导也适用介质波导。波导是引导电磁波沿一定方向传 输的系统，故又称导波系统。研究波导中导行电磁波 场的分布规律和传播规律，实质上就是求解满足波导 内壁边界条件的麦克斯韦方程。其方法之一，就是先 如何求出电磁场中的纵向分量，然后利用纵向分量直 接求出其他的横向分量，从而得到电磁场的全解。
表3-2 国产圆波导电参数表（第1位B为波导，第2位Y为圆形截面）
型号

主模频率 范围/GHz
内截面尺寸/mm 直径 壁厚t
主模衰减/（dB/m）
频率/GHz
理论值/最大值
BY22 2.07～2.83 97.87 3.30
2.154
0.0115/0.015
BY30 2.83～3.88 71.42 3.30
• 凡是用来引导电磁波的单导体结构的传输线都可以称 为波导。波导是由空心金属管构成的传输系统，根据 其截面形状不同，可以分为矩形波导、圆波导、脊形 波导和椭圆波导等，如图3-1所示。这类传输线上传 输的波型是TE波和TM波，传输的频率是微波段的电 磁波，例如厘米波和毫米波，且传输功率也比较大。 由于波导横截面的尺寸与传输信号载波波长有关，因 此，在微波的低频波段不采用波导来传输能量，否则 波导尺寸太大。

第三章传输线理论

第三章传输线理论

第三章传输线理论本章的目的是概述由集总电路向分布电路表示法过度的物理前提。

在此过程中，推导出一个最有用的公式：一般的射频传输线结构的空间相关阻抗表示公式。

正如我们知道的，频率的提高意味着波长的减小，该结论用于射频电路，就是当波长可与分立的电路元件的几何尺寸相比拟时，电压和电流不再保持空间不变，必须把它们看做是传输的波。

因为基尔霍夫电压和电流定律都没有考虑到这些空间的变化，我们必须对普通的集总电路分析进行重大的修改。

本章重点介绍传输线理论，首先介绍传输线理论的实质，再介绍常用的几种传输线，其中重点介绍微带传输线，以及一般的传输线方程及阻抗的一般定义公式。

3.1传输线的基本知识传输微波能量和信号的线路称为微波传输线。

本节主要介绍传输线理论的实质以及理论基础3.1.1传输线理论的实质传输线理论是分布参数电路理论，它在场分析和基本电路理论之间架起了桥梁。

随着工作频率的升高，波长不断减小，当波长可以与电路的几何尺寸相比拟时，传输线上的电压和电流将随着空间位置而变化，使电压和电流呈现波动性，这一点与低频电路完全不同。

传输线理论用来分析传输线上电压和电流的分布，以及传输线上阻抗的变化规律。

在射频阶段，基尔霍夫定律不再成立，因而必须使用传输线理论取代低频电路理论。

现在举例说明：分析一个简单的电路，该电路由内阻为R1的正弦电压源V1通过1.6cm的铜导线与负载电阻R2组成。

电路图如下：图3.1 简单电路并且我们假设导线的方向与z轴方向一致，且它们的电阻可以忽略。

我们假设振荡器的频率是1MHz，由公式(3.1)10m/s, rε=10, rμ=1 因此可以得到波长其中是相速度，=9.49×7λ=94.86m.连接源和负载的1.6cm长的导线，在如此小的尺度内感受的电压空间变化是不明显的。

但是当频率提高到10GHz时情况就明显的不同了，此时波长降低到λ=p v/1010=0.949cm，近似为导线长度的2/3，如果沿着1.6cm的导线测量电压，确定信号的相位参考点所在的位置是十分重要的。

波导传输线-

波导传输线-
矩形波导的主模----TE10模式
什么叫波导的主模 波导的主模是波导中截止频率最低的模式，可以在波导中单独 存在，作为单模传输。高于主模的其他模式，统称为高次模。 矩形波导中的主模TE10模 TE10模的传输特性可从考察它的截止波长，波导波长，单模 传播的频率范围中得出。 将 m=1 n=0 代入传输特性公式，可得主模传输特性。
P
ab E 4
2 b
max

1
0
2a
2
显然，在驻波状态，波导的功率容量将大大降低。 实际情况：最大传输功率一般为理论值的1/3～1/4。
波导的损耗与衰减
复习传输线衰减的定义
传播因子
j
P (z )P ( 0 ) e
2 z
传输功率
损耗功率
dP 2 az 0 e P 2 P L dz
矩形波导尺寸的选择
保证单模传输，有效抑制高次模 选择原则
2a {
a 2b
衰减尽量小，保证传输效率高
功率容量大
参见P86 工作波型
色散小
考虑单模参数和带宽，一般取 中心波长（几何中值）选择为
标准波导：
1 . 6 a 1 . 05 a

0
1.3a
参见P99
b ＝0.5a ； 加高波导：最大传输功率； 扁波导：不考虑功率，b 一般取（0.1～0.2）a。
Hx

E
2 m

s
2 10
si n (
2

a
2
2
x)
Hz
dy
2
E a
2 m 2 10
cos (

项目三波导传输线理论

项目三波导传输线理论

阿克苏职业技术学院项目教学设计项目(单元)教学设计（2学时）步骤教学内容时间分配明确任务项目三、波导传输线理论（1）3.1 波导传输线及应用3.2分析规则金属波导时常采用的方法及一般特性2'项目引导1.清点学生人数2.复习上节课知识点：（1）传输线的工作状态包括哪三种？（2）串音的概念是什么？8'知识讲解第3章波导传输线理论不同的传输线，适用于不同的频段范围，如双线传输线主要适用于低频段几百兆赫兹之内，若频率太高，能量辐射损耗严重，还有“趋肤效应”导致信号电流趋向表面，使电流流过的有效面积减小，从而电阻值也就增大，同时导线周围的绝缘介质，因频率升高而漏电造成的能量损耗明显，无法远距离传输。

对微波波段信号的有线传输，只有用空心金属波导管来做传输线才能胜任其要求。

3.1波导传输线及应用3.1.1波导传输线的结构及种类凡是用来引导电磁波的单导体结构的传输线都可以称为波导。

波导是由空心金属管构成的传输系统，根据其横截面形状不同，可以分为矩形波导、圆波导、脊形波导和椭圆波导等，如图3-1所示。

这类传输线上传输的波型是TE波和TM波，传输的频率是微波段的电磁波，例如厘米波和毫米波，且传输功率也比较;i。

由于波导横截面的寸与传输信号载波波长有丨关，因此，在微波的低频波段不采用波导来传输能量，否则波导尺寸。

3.1.2波导在微波天馈线系统的应用矩形波导和圆波导较为广泛地应用于远距离能量传输，常用波导的电60'参数，矩形波导和圆波导是在微波技术中采用最多的一种波导管，如微波中继、雷达、卫星通狺的天馈线部分等，其传输长度小于100米,如图3-2所示，而目前移动通信基站收/发机到譯射天线的馈线部分大多采用轻便的射频直径为7/8英寸的中同轴电缆。

3.1.3波导在微波器件上的应用金属波导和同轴线（同轴波导）的另一个应用是微波谐振器和方圆波导的应用是模式变换器，微波谐振器，如图3-3所示。

谐振器在低频电路中通常用LC回路并联构成。

《传输线理论》课件

《传输线理论》课件

阻抗特性
传输线的阻抗决定信号的 匹配和功率传递效率，常 见的阻抗包括50欧姆和75 欧姆。
传输线上的信号传输
传输线上的信号反射和干扰是常见问题，可通过消除信号反射和合理终止传输线来解决。 消除信号反射的方法包括使用终端电阻、滤波器和匹配网络。
传输线的调谐
传输线的等效电路 模型
传输线可用电路模型表示， 包括传输线的电感、电容和 电阻。
传输线用于计算机网络中的局 域网和广域网等数据传输。
总结
1 传输线理论的重要性
传输线理论为电磁信号传输提供了基础理论和实践指导。
2 相关应用领域
传输线广泛应用于通信、雷达、计算机网络等领域。
3 发展趋势及未来展望
随着技术的发展，传输线将继续演进，以满足不断增长的通信需求。
什么是传输线
传输线是传输电磁信号的导体或介质，通常由金属导线、光纤或空气等构成。 传输线可分为平行线、同轴电缆、光纤等多种类型。
传输线的特性
衰减特性
传输线上信号强度随距离 递减，衰减特性决定信号 传输的距离和质量。
相位特性
传输线上的信号会因电磁 波传播速度不同而引起相 位变化，影响信号的时间 同步。
《传输线理论》PPT课件
# 传输线理论 什么是传输线？传输线的定义和分类。 传输线的特性，包括衰减特性、相位特性和阻抗特性。 如何在传输线上进行信号传输？反射与干扰，消除信号反射，传输线的终止方式。 传输线的调谐，包括等效电路模型、调谐方法和在通信系统中的应用。 传输线在通信系统、雷达系统和计算机网络中的应用。 总结传输线理论的重要性，相关应用领域，发展趋势及未来展望。
传输线的调谐方法
通过调节传输线的电性能参 数来实现传输线的谐振和优 化信号传输。

波导传输线理论课件

波导传输线理论课件
以及实现多功能化设计。
新型材料与工艺在波导传输线中的应用
要点一
新材料
要点二
新工艺
采用新型材料如碳纳米管、石墨烯等可以改善波导传输线 的性能，提高传输效率、减小损耗等。未来需要研究如何 实现新材料在波导传输线中的稳定制备和性能优化。
采用新型工艺如纳米压印、微纳加工等可以减小波导传输 线的尺寸、降低成本，提高集成度。未来需要研究如何实 现新工艺的稳定性和可重复性，以及在波导传输线制作中 的广泛应用。
矩形波导具有全封闭的结构， 能够提供良好的电磁场隔离， 减少外部干扰和辐射损耗。
在矩形波导中，电磁波的能量 主要集中在波导内部，传输过 程中能量损失较小。此外，矩 形波导的截止频率和传播常数 等参数可以通过调节其尺寸来 控制。
圆波导
总结词
圆波导是一种特殊类型的波导，其横截面呈圆形。
总结词
圆波导的优点在于其封闭性和均匀性，能够提供 较好的电磁场隔离和传输稳定性。
波导传输线理论课件
目录
PART 01
波导传输线概述
定义与特点
定义
波导传输线是一种用于传输电磁 波的结构，通常由两个平行的金 属板或导电壁构成。
特点
具有定向传播电磁波的特性，能 够控制电磁波的传播方向和模式， 常用于微波和毫米波频段的信号 传输和能量传输。
波导传输线的历史与发展
历史
波导传输线最早可以追溯到19世纪 末，随着无线电和雷达技术的发展， 波导传输线逐渐得到广泛应用。
• 总结词：光纤波导的优点在于其传输速度快、带宽大、抗电磁干扰性能好和保密性强。 • 详细描述：光纤波导的尺寸通常用纤芯直径d来表示，其截止频率和传播常数等参数与纤芯直径、折射率和涂覆层厚度有关。在某些应用中，光纤波导还可以通过弯曲来改变传输方向。

电信传输原理、系统及工程教学课件第3章 传输线和波导在系统中的应用

电信传输原理、系统及工程教学课件第3章 传输线和波导在系统中的应用
3.1.1 对称电缆分类及型号 1．对称电缆的分类
对称电缆分类方法有多种，若按敷设方式可分为架空电缆、管道电缆、 直埋电缆及水底电缆等4种。
3
2.电信、电信传输的定义
1）架空电缆 架空电缆是用钢绞线支托电缆架挂在电杆上，其外形如图3-1（a）
所示。架空电缆也可以直接架挂在电杆上，如图3-1（b）所示
（a）耦合型漏泄同轴电缆
（b）辐射型漏泄同轴电缆
图3-14 泄漏同轴电缆
2. 同轴电缆的型号与规格
同轴电缆的型号与规格由5部分组成，如图3-15所示。电缆型 号与规格中各字母代码及数字代号的含义见表3-7所示。
图3-15 同轴电缆型号与规格组成图
图3-15中特征和规格用共3部分的数字代号组成，分别是特性阻抗（Ω）、 内导体绝缘外径（mm）和屏蔽层数。
2）漏泄同轴电缆 泄漏同轴电缆是在同轴管外导体上开有用作辐射的周期性裸露窗口或槽 孔，使电磁波可以漏泄到周围空间，泄漏损耗可达(10~40)dB/100m且 随频率而升高，如图3-14所示。泄漏同轴电缆的工作原理是发送端的电 磁波在泄漏电缆中纵向传输的同时通过槽孔向外界辐射，外界的电磁场 也可通过槽孔感应到泄漏电缆内部并传送到接收端。
（a）架空—管道电缆 （b）自承式架空电缆 （c）直埋电缆 （d）水底电缆
图3-1 对称电缆的分类
2）管道电缆
架空电缆敷设简单易行，但需要树立电杆，电缆裸露于空中，有 碍城市景观。目前，在大部分城市建设标准中大多要求将电缆敷设 于地下管道中，这种敷设方法应用越来越多。在大楼建筑物内的通 信电缆，既可预埋暗管敷设，也可以架挂在墙壁上，这类电缆结构 如图3-1（a）所示。
3.1.2 对称电缆在用户接入网系统中的应用
市话对称电缆在固定电话用户接入网系统中应用最广泛，如在干线电缆 、配线电缆、用户引入线等应用场合，如图3-3所示。干线电缆通常线对数 量较大，一般在300对以上，配线电缆线对数量通常小于300对，而用户引 入线线对数量只有1对，它们的线径在0.32 mm ～0.6 mm之间。电缆与相应 的配线设备适当的组合就可构成用户接入网系统，常用配线设备有配线架 (MDF)、交接箱、分线盒，如图3-4所示。随着光纤接入网的普及应用，目 前在大城市中对称电缆已经基本退出用户接入系统。

电信传输原理及应用第三章 微波传输线 3微带线

电信传输原理及应用第三章 微波传输线 3微带线
设微带线中波的传播方向为+z方向, 故电磁场的相位因子 为e j(ωt-βz), 而β1=β2=β, ຫໍສະໝຸດ 有∂H y 2 ∂z ∂z
代入上式得
= − jβH Y 2 = − jβH Y 1
∂H y1
∂H Z 1 ∂H z 2 − εr = j β (ε r − 1) H y 2 ∂y ∂y
微波传输线 第3章 微波传输线 同理可得
z0 =
εe
微波传输线 第3章 微波传输线 由此可见, 只要求得空气微带线的特性阻抗Zα0及有效介电 常数εe, 则介质微带线的特性阻抗就可由式（3 - 1 - 25）求得。 可以通过保角变换及复变函数求得Zα0及εe的严格解, 但结果仍为 较复杂的超越函数, 工程上一般采用近似公式。 下面给出一组 实用的计算公式。 (1) 导带厚度为零时的空气微带的特性阻抗Zα0及有效介电常 数εe
we = h
w t 2h + (1 + ln ) h πh t
w t 4π w + (1 + ln ) h πh t
w 1 ≥ h 2π
w 1 ≤ h 2π
微波传输线 第3章 微波传输线
we w 在前述零厚度特性阻抗计算公式中用 h 代替 h , 即可得 非零厚度时的特性阻抗。对上述公式用MATLAB编制计算微带
27.3 ε r 1 ad = GZ 0 = tan δ 2 λ0
微波传输线 第3章 微波传输线 式中, tanδ为介质材料的损耗角正切。由于实际微带只有 部分介质填充, 因此必须使用以下修正公式
ad =
q
27.3 ετ
εe 式中, 为介质损耗角的填充系数。 εr 一般情况下, 微带线的导体衰减远大于介质衰减, 因此一般 可忽略介质衰减。但当用硅和砷化镓等半导体材料作为介质基 片时, 微带线的介质衰减相对较大, 不可忽略。

电信传输原理第3章 波导传输线理论

电信传输原理第3章 波导传输线理论

3.1.5常用波导的电参数
矩形波导和圆波导的电参数表如表3-1和表3-2所示：
表3-1 国内矩形波导电参数表
3.1.5常用波导的电参数
矩形波导和圆波导的电参数表如表3-1和表3-2所示：
表3-2 国内圆波导电参数表
内容提要
波导传输线及应用
波导传输线的常用分析方法及一般特性
矩形波导及其传输特性 圆波导及其传输特性
波导中为何没有TEM波
原因：若金属波导管中存在TEM波，电力线分 布于波导横截面上，则它必为闭合的磁力线包围； 磁力线正交于电场，必有磁场强度H的纵向分量Hz 如图所示。
3.2.1 波导传输线的常用分析方法
采用“场”分析方法，研究波导中导行电磁波场的分布规
3.1.2圆波导定向耦合器在高功率微波测 量中的应用
基于多孔耦合技术的圆波导耦合器，在微波取样处具有较
低的电场强度，因此可以显著提高在线测量系统的功率容 量。对X波段在线测量系统的标定、大功率考核、高功率 比对以及高功率微波实验表明，该在线测量系统测量结果 稳定可靠，可以应用于HPM 源功率测量和状态监测。 在高功率容量在线测量系统的研制过程中，已经建立了一 套在线测量系统的设计规范，完善了相应的标定系统和考 核方法。在此基础上，建立了不同频段的在线测量装置。 同时，针对可调谐HPM 源的需求，目前已经研制了具有 大带宽的圆波导耦合器，其耦合度在9.2～10.2 GHz 带 宽范围内变化小于± 0.1 dB；针对大尺寸过模波导输出 的HPM源，研制了高功率选模定向耦合器。这些耦合器 构建的在线测量系统在HPM 源的研制中正发挥着重要作
同轴线可用于较高频率，因为电磁场被屏蔽在内外导体之间
，没有辐射损耗。同轴线可用在分米波及厘米波波段。当频 率更高时，同轴线存在以下问题： 1.损耗大。由于内外导体是靠介质支撑的，有介质损耗，频 率很高时，介质损耗会很大，集肤效应使得金属的热效应急 剧增加。 2.为了保证同轴线传输横电磁波（TEM波），必须满足条件

《电信传输原理及应用》习题+答案完成版

《电信传输原理及应用》习题+答案完成版

《电信传输原理及应⽤》习题+答案完成版第⼀章电信传输的基本概念1、什么是通信、电信和电信传输？电信号有哪些种类？各有什么特征？答：从⼴义上说，⽆论采⽤何种⽅法，使⽤何种传输媒质只要将信息从⼀地传送到另⼀地，均可称为通信。

电信号按照不同的⾓度可有不同的分类，按照电信号传载信息的形式的不同，可分为：模拟信号和数字信号两种类型。

模拟信号，是指模拟、仿照原有消息变化的电信号，这种信号的幅度变化是时间的连续函数；数字信号在时间上和幅度上的取值都是离散的。

数字信号在传输上有很多优点，最主要的是它的抗⼲扰性强。

由于它是以1、0两种状态传输的，在接收端只要正确地判断是“1”或者是“0”，就等于完全取消了⼲扰。

2、完整的电信传输系统是如何组成的？答：⼀个完整的电信传输系统除了必须具备传输信道部分外，还需要有⽤户终端设备、交换机、多路复⽤设备和传输终端设备（收发信机）等。

3、电信传输有些什么特点？答：⼀是传输信号的多频率；⼆是电信传输的功率在有线传输的功率⽐较⼩，它⼀般只有毫⽡量级；三是电信传输的效率，由于电信传输是弱电传输，其传输效率⾮常重要；四是电信传输离不开信号的变换。

4、常⽤传输介质的结构及⽤途是什么？答：电信号的传输实质是电磁波的传播，传播⽅式分有线传播和⽆线传播两种，因此其传输介质也按此分类⽅式分为有线传输介质和⽆线传输介质。

现有的传输线有架空明线、对称电缆、同轴电缆、⾦属波导管和光纤等；⽆线电传播的传输介质是对流层、平流层或电离层，传播⽅式有直射波，反射波，地波，散射波等。

⽤途：（1）架空明线：架空明线是利⽤⾦属裸导线捆扎在固定的线担上的隔电⼦上，是架设在电线杆上的⼀种通信线路，现今多⽤于专⽹通信，如利⽤⾼压输电线实现载波通信；利⽤铁路电⽓汽车输电线实现载波通信等；（2）对称电缆：市话对称电缆是由若⼲条扭绞成对（或组）的导电芯线加绝缘层组合⽽成的缆芯，外⾯包裹有保护层的⼀个整体。

主要作为传统的话⾳通信介质，是当前电信接⼊⽹的主体；（3）同轴电缆：同轴电缆⼜称为同轴线对，属于不对称的结构。

第三章 波导理论(微波技术)

第三章 波导理论(微波技术)
2 T
(3-13)’、(3-15a)代入(3-12a) 2 2 2 (T 2 )[ E (u1 , u2 ) Z ( z )] k E (u1 , u2 ) Z ( z ) z 2 d Z ( z) 2 2 [T E (u1 , u2 ) k E (u1 , u2 )] Z ( z ) E (u1 , u2 ) d z2 2 2 2 E ( u , u ) k E ( u , u ) 1 d Z ( z ) 1 2 1 2 E (u1 , u2 ) Z ( z ) T 2 Z ( z ) d z E ( u , u ) 1 2
3. 波导 同轴线损耗的主要矛盾在内导体上，如果拔掉同轴 线的内导体，既可减少电流的热损耗，又可避免使用介 质支撑固定，将会大大降低传输损耗，提高功率容量。 然而，这种空心的金属管能传送微波吗？ 只要金属管的截面尺寸与波长比足够大, 可以传输 电磁波，称这种金属管为“波导”。 用长线理论作定性分析：以矩形波导为例, 可将其 视为由平行双线演变来的：
2 T
(3 16b)
令 k k (3 20) 2 2 得 T E (u1 , u2 ) kc E (u1 , u2 ) 0 2 2 同理 T H (u1 , u2 ) kc H (u1 , u2 ) 0
2 2 2 c
(3 19)'
• 请注意： 为书写方便, 今后场强复变量符号上的 “ ” 将被略去。
E j 0 H H j 0 E (3-4)’ E 0 H 0
2 E k E 0 (3 12) 2 2 H k H 0

第三章波导传输线1

第三章波导传输线1

第三章波导传输线1微波传输线第3章微波传输线おオ返回主目录微波传输线第3章微波传输线おオ第3章微波传输线金属传输线：一种将高频(或微波)能量从一处传输到另一处的装置。

金属传输线的分类――电磁波型/模式的分类微波传输线第3章微波传输线おオTEM TE TM 波导波系统中的电磁波按纵向场分量的有无，可分为以下三种波型(或模): (1) 横磁波(TM波),又称电波(E波): H z = 0, E z ≠ 0 (2) 横电波(TE波),又称磁波(H波): (3) 横电磁波(TEM波):E z = 0, H z ≠ 0E z = 0, H z = 0其中横电磁波只存在于多导体系统中，而横磁波和横电波一般存在于单导体系统中，它们是色散波。

微波传输线第3章微波传输线おオ金属传输线的分类TEM或准TEM传输线：微波传输线第3章微波传输线おオ金属传输线的分类封闭金属波导(TE、TM波)微波传输线第3章微波传输线おオ第3 章微波传输线3.1导波原理导波原理1. 规则金属管内电磁波规则金属管内电磁波对由均匀填充介质的金属波导管建立如图2 - 1 所示坐标系, 设z轴与波导的轴线相重合。

由于波导的边界和尺寸沿轴向不变, 故称为规则金属波导。

为了简化起见, 我们作如下假设: ① 波导管内填充的介质是均匀、线性、各向同性的; ② 波导管内无自由电荷和传导电流的存在;图3 C 1 金属波导管结构图微波传输线第3章微波传输线おオ③ 波导管内的场是时谐场。

由电磁场理论, 对无源自由空间电场E和磁场H满足以下矢量亥姆霍茨方程:2 E + K 2 E = 0 2 H + K 2 H = 0式中, k2=ω2ε。

现将电场和磁场分解为横向分量和纵向分量, 即E=Et+azEz H=Ht+azHz 微波传输线第3章微波传输线おオ式中, az为z向单位矢量, t表示横向坐标, 可以代表直角坐标中的(x, y); 也可代表圆柱坐标中的(ρ, φ)。

《传输线理论详解》课件

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VS
详细描述
在高速数字信号处理中，传输线理论被用 于分析信号在传输过程中的特性变化，以 及如何减小信号的延迟和畸变。通过传输 线理论，可以优化信号传输路径和系统参 数，提高信号的传输速度和稳定性，满足 高速数字信号处理的需求。
高频微波系统设计
总结词
传输线理论在高频率微波系统设计中具有重 要应用，有助于实现高频微波信号的高效传 输。
详细描述
传输线的基本特性包括阻抗、传播常数和电磁波的传播速度等。阻抗决定了传输线对信号的负载能力，传播常数 决定了电磁波在传输线中的传播速度和相位变化，而电磁波的传播速度则与传输线的材料和结构有关。这些特性 参数对于传输线的性能和信号完整性至关重要。
传输线的应用场景
总结词
传输线在通信、电子、电力等领域有着广泛的应用， 如信号传输、能量传输等。
详细描述
传输线在许多领域都有着广泛的应用，如通信领域中 的信号传输、电力领域中的能量传输等。在通信领域 中，传输线被用于连接各种通信设备，如电话、电视 和互联网设备，实现信号的传输和接收。在电力领域 中，传输线被用于远距离输电和配电，实现电能的传 输和分配。此外，在电子设备中，传输线还被用于连 接各个组件，实现信号的传输和能量的传递。
当传输线中存在电压或电流 变化时，会在传输线周围产 生电磁场，电磁能量会以辐 射的形式向周围空间传播， 形成电磁辐射。同时，这种 电磁辐射可能会对其他电子 设备产生干扰。
E = -dΦ/dt，H = dA/dt， 其中E是电场强度，H是磁场 强度，Φ是磁通量，A是磁 矢量势。
电磁辐射与干扰可能会对其 他电子设备产生干扰，因此 需要进行电磁兼容性设计和 防护措施。同时，电磁辐射 也可以用于通信和探测等领 域。
传输线的传播特性
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面积越小，金属中的热损耗就越大。 三．介质损耗大 平行双导线较长时要用绝缘介质或金属绝缘子（即四分之一波
长短路线）作支架以固定导线，当频率很高时，介质损耗或 金属绝缘子的热损耗也很大。 随着频率的升高，辐射损耗急剧增加，介质损耗和热损耗也有 所增加，但没有辐射损耗严重。由于以上现象，平行双导线 只能用于米波及其以上波长范围。
17
3.2 波导传输线的常用分析方法及一般特性
双线传输线理论讨论沿双线传输线传输的TEM波，而 在金属波导中不存在TEM波。
金属波导可传输Ez≠0,Hz=0的TM波及Ez=0,Hz≠0的TE 波。
传输线方程的局限性：单根导线、空心金属管、光纤等 无法用电路方法解决。
电磁场理论的有效性：任何电器问题都可以用麦氏方程 表示。
（3）损耗小。一般波导内填充的是干燥的空气，因此 介质损耗很小。
（4）结构简单，均匀性好。
3.1.2圆波导定向耦合器在高功率微波测 量中的应用
基于多孔耦合技术的圆波导耦合器，在微波取样处具有较 低的电场强度，因此可以显著提高在线测量系统的功率容 量。对X波段在线测量系统的标定、大功率考核、高功率 比对以及高功率微波实验表明，该在线测量系统测量结果 稳定可靠，可以应用于HPM 源功率测量和状态监测。
不变，以及填充于波导管内介质参数（、、）沿纵向
均匀分布。
对规则金属波导，作如下假设(理想波导的定义 ) ： ①波导管的内壁电导率为无穷大，即认为波导管壁是理想 导体。 ②波导内为各向同性、线性、无损耗的均匀介质。 ③波导内为无源区域，波导中远离信号波源和接收设备。 ④波导为无限长。 ⑤波导内的场随时间作简谐变化。
2Exk2Ex 0 2Hxk2Hx 0
2Ey k2Ey 0 2Hy k2Hy 0
式中的Ex、Ey、Hx、Hy、Ez和Hz都是空间坐标x、y、z 的函数。波导系统内电场和磁场的各项分量都满足标量 形式亥姆霍兹方程，或称标量的波动方程。
3.2.1 波导传输线的常用分析方法
金属波导中E、H的求解一般步骤如下： （1）先从纵向分量的Ez和Hz的标量亥姆霍兹方程入手， 采用分离变量法解出场的纵向分量Ez、Hz的常微分方程 表达式。 （2）利用麦克斯韦方程横向场与纵向场关系式，解出横 向场Ex、Ey、Hx、Hy的表达式。 （3）讨论截止特性、传输特性、场结构和主要波型特点。
n 将（3-18式）代入（3-4式）可得波导管中E和H以行波 方式沿Z方向传播的解的初步形式:
E z(x ,y ,z ) A 1 E z(x ,y )e z
电信传输原理第3章 波导传输线理论
内容提要
波导传输线及应用
波导传输线的常用分析方法及一般特性 矩形波导及其传输特性 圆波导及其传输特性
2
3.1 波导传输线及应用
3.1.1波导传输线
一．辐射大 平行双导线传输线敞露在空间，当频率高时，将有用电磁能向
外辐射形成辐射损耗。频率越高，辐射损耗越大。 二．集肤效应大 频率越高，信号电流就越趋向于导体表面，使电流流过的有效
ab
当频率高时，同轴线的内外导体半径 a、b 必须减 少，这就增加了电击穿的危险，容许传输的功率便 受限制。
一般来说，10cm时就不能用同轴线了；但这不是
绝对的，当距离短，传输功率小时，同轴线可用；
当要求损耗很小，传输信号的功率大时，10cm 就
不可用同轴线了。
平行双导线、同轴线工作频率受限，促使人们寻求 新的传输微波信号的元件，于是波导就诞生了。
直角坐标系中求各场分量的求解过程： 如果规则金属波导为无限长，则波导内没有反射，可
将电场和磁场分解为横向（x, y）分布函数和纵向（z）传 输函数之积，即先对EZ和HZ进行分解，即：
3.2.1 波导传输线的常用分析方法
☆分离变量-1
n 横向（x,y)分布函数和纵向（z）传输函数分量
Ez(x,y,z)=Ez(x,y)Z1(z) Hz(x,y,z)=Hz(x,y)Z2(z)
（3-4）
n 将(3-4-a)代入(3-3)可得
2 [ E z ( x ,y ) Z 1 ( z ) k ] 2 E z ( x ,y ) Z 1 ( z ) 0（3-5） 在直角坐标系中，拉普拉斯算子▽2的展开式为：
2 2
2
2
x2 y2 z2
3.2.1 波导传输线的常用分析方法
☆分离变量-2
3.2.1 波导传输线的常用分析方法
工程上，应用最多的是时谐电磁场，即以一定角频率作 时谐变化或正弦变化的电磁场。由麦克斯韦方程可以建 立电磁场的波动方程，而时谐电磁场的矢量E和H在无源 空间中所满足的波动方程，通常又称为亥姆霍兹方程。 在直角坐标系中，矢量波动方程可以分解为三个标量方 程。
在无源的充满理想介质的波导内，电磁波满足麦克斯韦 方程组：
3.1.5常用波导的电参数
矩形波导和圆波导的电参数表如表3-1和表3-2所示：
表3-1 国内矩形波导电参数表
3.1.5常用波导的电参数
矩形波导和圆波导的电参数表如表3-1和表3-2所示：
表3-2 国内圆波导电参数表
内容提要
波导传输线及应用
波导传输线的常用分析方法及一般特性
矩形波导及其传输特性 圆波导及其传输特性
若用横向的拉普拉斯算子来代替上式右端的x,y两项，即有：
2
t2
2 z2
2 2 2 2 x2 y2 z2
n 利用横向拉普拉斯算子，有：
2 [ E z ( x ,y ) Z 1 ( z ) k ] 2 E z ( x ,y ) Z 1 ( z ) 0
t 2 [ E z ( x ,y ) Z 1 ( z ) ] z 2 2 [ E z ( x ,y ) Z 1 ( z ) ] k 2 E z ( x ,y ) Z 1 ( z ) 0
3.2.1 波导传输线的常用分析方法
☆分离变量-3
n E(x,y)和Z无关，Z1(z)只与Z有关
t 2 [ E z ( x ,y ) Z 1 ( z ) ] z 2 2 [ E z ( x ,y ) Z 1 ( z ) ] k 2 E z ( x ,y ) Z 1 ( z ) 0
可以改写为：
在高功率容量在线测量系统的研制过程中，已经建立了一 套在线测量系统的设计规范，完善了相应的标定系统和考 核方法。在此基础上，建立了不同频段的在线测量装置。 同时，针对可调谐HPM 源的需求，目前已经研制了具有 大带宽的圆波导耦合器，其耦合度在9.2～10.2 GHz 带宽 范围内变化小于± 0.1 dB；针对大尺寸过模波导输出的 HPM源，研制了高功率选模定向耦合器。这些耦合器构建 的在线测量系统在HPM 源的研制中正发挥着重要作用。
采用直角坐标系（x，y，z），矢量E可分解为3个分量：
EiExjEykEz
HiHxjHykHz
式中，i、j、k分别为x、y、z方向的单位矢量。将上式中 E、H分解式代入式（3-2），整理可得：
3.2.1 波导传输线的常用分析方法
Z方向标量形式波动方程：
2Ezk2Ez 0 2Hzk2Hz 0
以及
（3-3）
（3-17）
即：电磁波在波导中沿Z传播时，电场强度和磁场强度 的传播规律是一种形式。
3.2.1 波导传输线的常用分析方法
n (3-17)式的通解为：
Z(z)AezBez
第一项表示入射波，第二项表示反射波，无限长波动中无 反射波，因此通解应为：
Z(z)Aez
（3-18）
3.2.1 波导传输线的常用分析方法
波导中为何没有TEM波
原因：若金属波导管中存在TEM波，电力线分 布于波导横截面上，则它必为闭合的磁力线包围； 磁力线正交于电场，必有磁场强度H的纵向分量Hz 如图所示。
3.2.1 波导传输线的常用分析方法
采用“场”分析方法，研究波导中导行电磁波场的分布规 律和传播规律，实质上就是求解满足波导内壁边界条件的 麦克斯韦方程
同轴线可用于较高频率，因为电磁场被屏蔽在内外导体之间 ，没有辐射损耗。同轴线可用在分米波及厘米波波段。当频 率更高时，同轴线存在以下问题：
1.损耗大。由于内外导体是靠介质支撑的，有介质损耗，频 率很高时，介质损耗会很大，集肤效应使得金属的热效应急 剧增加。
2.为了保证同轴线传输横电磁波（TEM波），必须满足条件
3.1.4波导滤波器的应用
微波电路中的滤波器一般采用波导滤波器。波导滤波器由 于其具有高Q值、低损耗及功率容量大等的优点而被广泛应用 在微波及毫米波系统中。采用传统的感性元件，如金属杆、横 向金属条带和横向膜片等结构来实现的波导滤波器，由于其结 构复杂，因此很难做到低成本大批量生产。为了克服这些问题 ，很多系统采用了微带电路结构的滤波器，但是微带滤波器将 会带来较大的插入损耗等缺点，尤其在较高的频带。
t2Ez(x,y) 1 d2Z1(z)k2 EZ(x,y) Z1(z) d2z
n
若两端恒等则必然等于一个
k
2 c
常数，整理后得
t2E z(x,y)kc 2E z(x,y)0 （3-11）
d2d Z12z(z)(k2kc2)Z1(z)0 （3-12）
3.2.1 波导传输线的常用分析方法
n 同理可得磁场强度应该满足的两个独立微分方程
具体做法是：首先求出电磁场中的纵向分量，然后利用纵 向分量直接求出其他的横向分量，从而得到电磁场的全解。
将金属波导假设为理想的波导，即规则金属波导。
图3-9 规则金属波导
3.2.1 波导传输线的常用分析方法
规则金属波导：具有一条无限长而且笔直的波导，其横截 面的形状、尺寸、管壁结构和所用材料在整个长度上保持
t2H z(x,y) kc 2H z(x,y) 0 （3-14）
d2d Z22z(z)(k2kc2)Z2(z)0 （3-15）
（3-13）和(3-14)表明横向电场和磁场分量也满足标量亥姆赫