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2021-08-04 微波工程1-传输线 S参数

2021-08-04 微波工程1-传输线 S参数

作者: Berry521 | 来源:发表于2021-08-04 21:39 被阅读0次

    趋肤效应:电场形成与原电流相反的电流密度,在导体中心处,这种效应最强烈,致使导体中心的电流密度明显减小,随着频率的增高,电流趋于导体表面。
    传输线:用来传输电磁信号能量和构成各种微波元器件。常见的射频传输线有平行线、同轴线、波导、带状线、微带线等。

    特性阻抗Zc:指传输线上的行波电压和行波电流,或入射波电压对入射波电流之比,可表示为:Z0=R0+jX0,其中R0为特征电阻,X0为特征电抗。
    传播常数: 决定波的传播范围 (衰减常数+相移常数)

    传输线边界条件:终端条件、源端条件和电源、阻抗条件。
    传输线阻抗公式特征:(1)半波长阻抗重复性 (2)1/4波长阻抗倒置性 -具有阻抗变换作用

    均匀无耗传输线有三种工作状态
    1)ZL=ZO时,传输线工作于行波状态(全匹配状态)。只有入射波,电压电流振幅不变,相位沿传播方向滞后;沿线的阻抗均等于特性阻抗;电磁能量全部被负载吸收。
    2)ZL=0、∞、±jX时,工作于驻波状态(ZL=0,Γ=-1)。线上入射波和反射波的振幅相等,驻波的波腹为入射波的两倍,波节为零;电压波腹点的阻抗为无限大,电压波节点的阻抗为零,沿线其余各点的阻抗均为纯电抗;没有电磁能量的传输,只有电磁能量的交换。

    3)ZL=RL+jXL时,工作于行驻波状态。行驻波的波腹小于两倍入射波,波节不为零;电磁能量一部分被负载吸收,另一部分被负载反射回去。

    入射波: e -jBz沿正z方向以Vp速度传输的波,(反之为反射波)。

    分析思路: 1分离变量法 2 归一化分析 3共轭 互易 镜像定理
    传输线传输的波型(场结构、模式)

    反射系数Γ:反射波与入射波之比(电压或电流)Γ=(ZL-Zo)/ (ZL+Zo),为0时全匹配,为1时全反射。
    驻波比ρ: 沿线电压最大值与最小值之比,衡量失配的程度 ρ=(1+Γ)/(1-Γ) ,为大于1的无量纲实数,匹配时为1,全反射为无穷。
    回波损耗RL(dB): 传输线端口反射波功率与入射波功率之比,表征端口不匹配引起的反射损耗程度。RL=-20log|Γ|dB
    插入损耗IL: 在传输系统的某处由于器件或分支电路的加进某一电路时,能量或增益的损耗。是射频信号经过该器件的输出功率与输入功率之比

    短路线-谐振器:短路线在驻波状态,电压和电流相位差pi/2,当为1/4波长时,呈现并联谐振,当为1/2波长时,呈现串联谐振。

    S参数:S矩阵(散射矩阵): 表征端口网络的激励/响应关系
    在一P1,P2二端口网络中,输入端口P1的规一化入射波电压为a1,规一化反射电压为b1;输出端口P2的相应入射波电压为a2,反射波电压为b2
    S11=(b1/a1)a2=0,为端口P2接匹配负载时端口P1的反射系数。
    S21=(b2/a1)a2=0 ,为端口P2接匹配负载时端口P1到端口P2的传输系数,描述二端口网络的损耗或增益特性。
    S22=(b2/a2)a1=0,为端口P1接匹配负载时端口P2的反射系数。
    S12=(b1/a2)a1=0,为端口P1接匹配负载时端口P2到端口P1的隔离度。表示除2端口外其余端口接匹配负载时2端口到1端口的传输系数。对于多端口网络的S参数描述与两端口网络相同。

    S参数的优势:在射频测量中,端口的电压和电流是不易直接测量的,直接测量的一般是入射波功率。由于辐射,直接的开路是不易实现
    的,而容易实现的是短路和匹配。所以,直接测量S矩阵更容易实现。

    三点法测试S参数: 分别测出负载为匹配负载,开路、短路时的输入反射系数,就可以确定互易双端口网络的散射参数(S12=S21)

    电磁场唯一性定理
    1如果给定一个封闭面上的切向电场或切向磁场,则内部区域中的电磁场唯一确定。
    2 只需给定参考面上的切向电场或切向磁场,则不连续性区域中的场唯一给定。
    3 给定每个端口上电压(对应端口的切向电场)或电流(对应端口的切向磁场) (激励),共n个量,则端口上其余的n个电流或电压(响应)就唯一确定了。

    传输线可分解为横向问题与纵向问题:
    1横向问题对应场的横向因子满足的方程。
    2纵向问题对应场的纵向因子满足的方程。
    3 传输线的纵向问题相同

    TEM 横电磁波 Ez=Hz=0 即无纵向场分量,横向场与静态场相同,只能存在于多导体系统
    TE模 Ez=0 Hz不为0
    TM模 Ez不为0 Hz为0 恒磁

    相速度:等相位面沿传输线纵向移动的速度(大于光速)
    群速度:许多频率组成的波群(信号)的速度,代表信号能量传播的速度。
    色散:速度随着频率(波长)的变化而改变的特性,TE TM为色散波。
    波导波长(相波长):波沿纵向的两相邻等相位面之间的距离,或等相面在一个周期内传播的距离。对于TEM波,其等于空间波长
    波阻抗:相互正交的横向电场与横向磁场的模之比。对于TEM波,其等于介质波阻抗,如空气中为376.7欧姆


    射频电路的建模本质上就是电磁场问题,利用微波网络方法:将射频电路分解为传输线和不连续性的组合,然后对传输
    线和不连续性分别建模。

    传输线建模:把传输线等效为双线,用特征参数-特性阻抗和传播常数表征。单模传输线等效为一条双线,m模传输线等效为m条传输线。

    不连续性建模:可以采用集总等效电路模型,也可以采用网络矩阵表征。

    于是,通过建模,射频电路等效为由传输线和不连续性网络构成的电路。射频电路就可以采用电路理论分析和设计,“场方法”转化为“路方法”,把复杂的三维电磁场问题转变为一维电路问题。

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