《微波技术与天线》——微波传输线

• 微波：频率范围为300MHz ~ 3000GHz的电磁波，即波长为1m ~ 0.1mm的电磁波称为微波。<300MHz为超短波，>3000GHz为红外波
• 射频：射频（RF）是Radio Frequency的缩写，表示可以辐射到空间的电磁频率，频率范围从300kHz～300GHz之间。射频就是射频电流，它是一种高频交流变化电磁波的简称。每秒变化小于1000次的交流电称为低频电流，大于10000次的称为高频电流，而射频就是这样一种高频电流。射频（300K-300G）是高频（大于10K）的较高频段，微波频段（300M-300G）又是射频的较高频段。
  
  
• 微波具有波长短、频率高、能穿透电离层、与低频研究方法不同

1. 长线的概念

• 长线是指几何长度大于或接近于相波长的传输线，电长度$\overline{l}$是几何长度$l$与所传输的电磁波的相波长${\lambda }_p$之比。工程上常将$\overline{l}$>0.1的传输线试为长线，将$\overline{l}$＜0.1传输线视为短线。
• 长线是分布参数电路（电场能量和磁场能量的分布空间很难分开），短线是居中参数电路（电场能量集中在电容器中，磁场能量集中在电感器中，只有电阻元件消耗电磁能量），分布参数效应使传输线上电压、电流不仅随时间变化，而且随空间位置变化。
• 长线分布参数：分布电阻$R_1$、分布电感$L_1$（频率升至微波频段后）、分布电容$C_1$、分布电导$G_1$
• 均匀长线：沿线的分布参数均为常数的长线；均匀无损长线：指$R_1=0$、$G_1=0$的均匀长线，也称为均匀无损长线

2. 传输线方程及其解

• 传输线的特性参量描述传输线上单项波的传输特性，主要有特性阻抗$Z_0$、相波长${\lambda }_p$、相移常数$\beta$和相速度$v_p$
• 无耗均匀传输线的特性阻抗（定义为传输线上入射波电压与入射波电流之比）决定于传输线的类型、导线截面尺寸、线间距及介质的介电常数和磁导率，而与信号源和负载没有关系，也与微波频率没有关系
• 相波长定义为在同一时刻传输线上单项波的相位相差为2π的两点间的距离；相移常数指每单位长度传输线上单向波的相位变化值，单位是（rad/m）
• 相速度定义为传输线上单向波的等相位面行进的速度；相速度只与传输线的填充介质有关，当填充介质为空气时相速度等于真空中的光速，当填充其他介质时相速度小于真空中的光速。

3. 输入阻抗、反射系数和驻波比

• 输入阻抗$Z_{in}$定义为传输线上合成波的电压与电流值比，与特性阻抗$Z_0$和相移常数$\beta$有关，还与负载阻抗$Z_L$有关。输入阻抗$Z_{in}(z)$可以理解为：长度为$z$的传输线段和终端负载组成的传输线电路的等效阻抗
• 反射系数$\Gamma$定义为距负载z处的反射波电压与入射波电压之比
• 在均匀无耗传输线上，反射系数的模值处处相等，且等于终端反射系数的模值；反射系数的幅角沿线呈线性变化
• 沿线合成波电压的最大模值与最小模值之比称为均匀无耗传输线的电压驻波比$\rho$

4. 均匀无耗传输线的工作状态

• 传输线上有三种不同工作状态：行波状态、驻波状态和行驻波状态
• 行波状态特点是：1）电压、电流振幅值沿线不变，且电压和电流同相；2）输入阻抗沿线不变，处处等于特性阻抗，且呈纯阻性；3）信号源输入的功率全部被负载吸收，即行波状态能最有效地传输功率
• 终端短路、终端开路、终端接纯电抗负载时传输线形成驻波状态，终端短路($Z_L=0$)时的特点如下：
  
• 驻波状态的应用：1）用作绝缘支架；2）用作收发开关
• 行驻波状态：沿线的合成波可视为两部分的叠加，一为行波部分，另一为驻波部分。
• 传输功率的物理意义是入射波功率与反射波功率之差，即传输功率等于负载的吸收功率

5. 传输线的阻抗匹配

• 共轭匹配、负载匹配、信号源匹配
• $\lambda /4$阻抗变换器、多节$\lambda /4$阻抗变换器、补偿式$\lambda /4$阻抗变换器
• 并联单支节匹配器、并联双支节匹配器
• 渐变线匹配器：线性渐变线、指数式渐变线

6. 有耗传输线

• 均匀有耗传输线的特点：可通过变换将对均匀无耗传输线的分析移植到均匀有耗传输线；均匀有耗传输线的传播常数是复数；均匀有耗传输线的特性阻抗是复数，且与频率有关
• 几种常见的均匀有耗传输线：1）低损耗线，考虑雷达射频传输系统的损耗时，可将其中的传输线看成低损耗线；2）高损耗线，在分析对称振子天线上的电流分布时可以将其看成终端开路的高损耗线
• 常用衰减常数、Q值和效率来表示有耗传输线的损耗

7. 微带线

• 标准微带线（简称微带线或微带）：优点是体积小、重量轻、成本低、频带宽、可靠性高；缺点是损耗较大、功率容量低，只适用于中、小功率
  
  
  
  

• 电磁波是横波，振动方向和传播方向垂直。

• 平行带条耦合微带线：当两根微带线相互靠近时彼此会产生电磁耦合，构成耦合微带线
  

• 带状线：也称为对称微带，是一种以空气或者固体介质绝缘的双接地板传输线，带状线是一种宽带传输线