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传统传输线理论传输线是微波领域能量和信息的

作者:365体育官网更新时间:2019-10-20 13:43点击次数:字号:T|T

  传统传输线理论传输线是微波领域能量和信息的载体及传播工具 是构成各种高频、微波元件和仪器的基础。传输线理论实际上是分布参数的电路理论 它是研究微波传输线和微波网络理论的基础 它将电路理论和电磁场理论相结合 具有重要的实用价值。 经典的传输线理论为 将均匀传输线分割成许多小的微分线元 每个微分线元等效

  传统传输线理论传输线是微波领域能量和信息的载体及传播工具 是构成各种高频、微波元件和仪器的基础。传输线理论实际上是分布参数的电路理论 它是研究微波传输线和微波网络理论的基础 它将电路理论和电磁场理论相结合 具有重要的实用价值。 经典的传输线理论为 将均匀传输线分割成许多小的微分线元 每个微分线元等效为电阻、电感、电容和电导组成的网络 可看作集总参数电路 其等效 14 电路如图2 7所示。这样一来 整个传输线可看做是无限多个微分线 传输线等效电路示意图假定在时刻t 由KCL和KVL可得 IztUztzRIztLIztLt 16IztIztzGUztCUztCt 17上式即电报方程。 对于角频率为ω的正弦电源 传输线方程为 dUzZIzdz 18dIzYUzdz 19将单位串联阻抗和单位并联导纳代入 2220dUzUzdz 20222 0dIzIzdz 2115 其中 ZYRjwLGjwC则传输线 zzIzAeAeZ 23其中Z0为传输线特性阻抗。 复合左右手传输线理论从上文的介绍中可以看出 传输线理论实际上是分布参数电路理论。微波左手传输线是指当电磁波在这种传输线中传播时 其传播特性表现为左手特性即电场、磁场和波矢量遵从左手定则 其等效介电常数和等效磁导率同时为负值。微波左手传输线将对微波设备、天线等带来巨大的变革 它开创了一个全新的领域 还有许多问题尚待研究 特别是其理论基础还不完善。本节根据传输线的基本理论 建立了微波左手传输线无耗情况下通用的传输线方程 系统地获得了微波左手传输线的传播特性 对分析和设计微波左手传输线高频电路提供了重要的理论依据。 微波左手传输线方程传输线理论是用于传统材料如右手材料的一种非常强大的分析和设计工具。微波左手材料也可以等效为一个传输线模型 这样就可以利用传统的传输线理论来分析和设计一维、二维的左手传输线。微波左手传输线是左手材料在微波电路中应用的典型例子 同时由于传输线在微波电路中不仅起着能量传输的作用 而且还往往以电路功能模块的角色出现 比如耦合、辐射、阻抗匹配及相位校正等 这使得微波左手传输线成为左手材料在微波电路中应用的基本载体和基本器件。一段微分长度为Δz 的均匀理想微波左手传输线所示 图中的L、C分别为单位长度的分布电感、电容 其定义如下 理想微波左手传输线 双导线单位长度的串联电容单位为F 单位长度的并联电感单位为H 采用相量表示根据基尔霍夫电压定律得出 24该式可表示为在微分传输线两旁的组合电压降的导数 26同理 根据KCL可得 27或者 limlim zzzIzzIzVzzzjL 29电流与电压的方程即为无耗情况下复合左右手传输线求解 首先对电压式求导 30同时将电流式代入 31222 3217 同理 2220dIzIzdz 33其中 传播常数 1jjCL 34而相移常数 1LC 35其行波解为 zzVzVzeVze 36zzIzIzeIze 37是沿Z轴取向的传输线VVLZIIC 41相移 0d 42表示相位超前 其中d为传输线的长度 这是左手材料独有的一种特性 右手材料中Φ 输入阻抗为000tantanLinLZjZlZZZjZl 43在高频时 4418 导波波长 22 gLC 45相速度 2PvLC 46群速度 2gvLC 47从上式中可看出在左手材料中 相群速度方向相反。 等效介电常数和等效磁导率微波左手传输线的等效介电常数和等效磁导率均为负值 那么 如何求得等效介电常数和磁导率呢 通常 材料的传播常数与介电常数、磁导率有如下关系 rr 49介质的内阻抗为 0Z 50而波阻抗为 rZ 51等效介电常数、等效磁导率为 21rL 5221rC 53说明图示的左手传输线模型具有负的介电常数和磁导率 并可以通过理想的电感和电容来实现。而折射率 2ccnLC 小于0 表示复合左右手传输线 第三章 复合左右手传输线在微波工程中的应用 超宽带通信技术简介超宽带通信UWB系统 ultra wide band 一般是指通信频带宽度为3 1GHz 10 6GHz的通信系统 这几年由于无线通信技术的迅猛发展 UWB的研究和应用也越来越广泛 相比于其他无线通信技术 超宽带有以下优势 43 传输速率高理论上一个宽度趋于0 的脉冲具有无限的带宽所以UWB 即使把发送信号功率谱密度控制得很低也可以实现高达1 500Mbps在民用传输速率上 UWB 脉冲宽一般为纳秒级 如果一个脉冲代表一个数位 那么理论上UWB 可达1Gbps 的速率 这样在实际中实现100Mbps 以上的速率是完全可能的。 发射功率低功耗小 UWB 因为不使用载波仅在发射窄脉冲时消耗少量能量 从而省略了发射连续载波的大量功耗。这使得UWB在通过缩小脉冲宽度的同时提高带宽 并且不增加功耗。这就打破了过去任何一项传输技术的功耗和带宽成正比的定律。在短距离无线通信中UWB发射机的发射功率通常低于1mw 这也是FCC为了避免对其它设备造成干扰而对UWB规定的技术指标要求 虽然现在实际上使用芯片实现后的整体电路能耗在300mw左右 但相信随着技术的不断成熟和进步这项指标不久就会下降。 多径分辨率高由于UWB采用连续时间很短的窄脉冲 因此它的时间空间分辨力很强。一般而言UWB系统的多径分辨率很高 1ns 脉冲的多径分辨率为30cm 接收机通过分集可以获得很强的抗衰落能力 同时在进行测距定位跟踪时也能达到更高精度。另外窄脉冲具有很强的穿透力 因此UWB具有比红外线更广泛的应用 如帮助警察搜寻隔墙的逃犯以及解救那些被围困在倒塌建筑物里面的人们。 电磁兼容性好由于UWB的带宽相当于1000个电视频道或3 万个FM广播频道 因此人们担心它会对其它电子设备形成强大的干扰。事实上FCC规定UWB的发送功率谱密度必须低于美国发射噪音规定值4 因此从理论上讲相对于其它UWB信号所产生的干扰仅相当于一个宽带白噪声影响是比较小的。 20 成本低适合于便携型使用由于UWB技术使用基带传输无需进行射频调制和解调 所以不需要混频器过滤器RF 转换器及本地振荡器等复杂元件系统结构。这样可以使得成本大大降低同时更容易集成到CMOS电路中。这样带来的好处是设备的功耗小 灵活性高 适合于便携型无线通信设备。 系统安全性能好由于UWB的发射功率低信号隐蔽在环境噪声和其它信号之中 传统的接收机无法接受和识别 必须采用与发端一致的扩频码脉冲序列才能进行解调。因此增强了系统的安全性除此之外抗干扰性能强频谱 资源利用率高 系统容量大等特点都使得UWB的应用无可限量。 新型复合左右手传输线的分析在Iton提出的左手传输线结构是由串联交指电容和并联带状电感构造而成 而微带交指电容结构极为复杂 使得加工设计极为不便。因此 我们考虑即在传统传输线结构中只加载串联电容或者只加载并联电感 加载的电容或电感可由集总或准集总元件实现 它依然是一种周期阵列结构 其cell的等效电路如图3 SCRLHTL的等效电路图 LR LL CR分别为串联电感 并联电容和并联电感。 为此电路的微分长度。我们根据Bloch理论可以分析出该结构的色散和阻抗特性111 cosh Sd 21202111 其中γ为传播常数Z0为端口特性阻抗。ω为工作频率 S11和S21 为传输矩阵的第一个和第二个元素 它们分别为 21 222114949RLRRLRRLLLLCLLCSL 当电磁波在其中传输时我们可以假定 其α为衰减常数为相移常数 可以简化为111cos dS 2121 21 2121 22 ω2即为SCRLHTL的带边频率。 新型SCRLH TL的阻抗和色散特性如图3 所示。此时等效电路中各元器件取值为LL 97nHLR 78nHCR 03pF。我们从图中可以看出新型SCRLH TL结构在2 1GHz—10 6GHz频段内衰减常数为0 电磁波在此频段内为全传输 且阻抗特性曲线的分布连续且较为平滑 这意味着 新型SCRLH TL结构完全适用于UWB系统。 SCRLHTL的阻抗特性 aj 22 SCRLHTL的色散特性 3滤波器的设计和仿真在滤波器的设计和方针阶段 运用软件仿真复合左右手传输线元器件的步骤如下 设置求解类型一般设置为激励求解。所谓激励求解指软件将所要求解的微波问题等效为计算N端口网络结构的S矩阵 根据S参数处理方式的不同分为DrivenModal 激励求解 和DivenModal 激励终端 求解。 设置模型单元对模型的单元尺寸进行设置。 建立模型可选择建立三维或平面模型 本文的工作均为三维结构。 设置介质基板材料软件中可根据需要设置如下参数 相对磁导率、相对介电常数、电导率、介质损耗角、磁损耗角及各向异性材料。 设置激励条件主要分为以下几种 波端口激励方式、集总端口激励方式、Floquet端口激励方式、差分对激励方式、磁偏置激励方式、照射波激励方式等。 在激励问题的求解中 除了散射问题 大多数工程中的激励源都设置在端口处 这也是计算S参数的信号输入输出的地方 并和实际微波工程问题相对应。最常用的三种激励端口是 波端口 waveport 、集总端口 Lumpedport

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