第一章傳輸線理論在電子通信領(lǐng)域內(nèi)，信號(hào)采用的傳輸方式和信號(hào)的傳輸特性是由工作頻率決定的。射頻頻段電磁波的傳播方式有著不同特點(diǎn)，本章將關(guān)注射頻傳輸中的基本概念——傳輸線。主要內(nèi)容1.1認(rèn)識(shí)傳輸線1.2傳輸線等效電路表示法1.3傳輸線方程及傳輸線特征參數(shù)1.4均勻無(wú)耗傳輸線工作狀態(tài)分析1.5本章小結(jié)1.1認(rèn)識(shí)傳輸線射頻識(shí)別（RadioFrequencyIdentification，RFID）通過(guò)無(wú)線電進(jìn)行識(shí)別。射頻識(shí)別包括兩個(gè)部分:射頻（RadioFrequency，RF）與識(shí)別（Identification，ID），其中“射頻”是整個(gè)射頻識(shí)別的基礎(chǔ)。射頻表示可以輻射到空間的電磁波頻率，通常所指的頻率范圍為30kHz～30GHz。傳輸線是傳輸電磁能量的一種裝置，在電路知識(shí)中學(xué)的導(dǎo)線就屬于傳輸線。導(dǎo)線屬于低頻傳輸線，在低頻傳輸線中，電流幾乎均勻地分布在導(dǎo)線內(nèi)部。隨著工作頻率的升高，波長(zhǎng)不斷減小，電流集中在導(dǎo)體表面，導(dǎo)體內(nèi)部幾乎沒(méi)有能量傳輸。傳輸線上的電壓和電流隨著空間位置不同而變化，電壓和電流呈現(xiàn)出波動(dòng)性。1.1認(rèn)識(shí)傳輸線傳輸線上傳輸?shù)碾姶挪?/p>

TEM波（橫電磁波）：電場(chǎng)和磁場(chǎng)都與電磁波傳播方向相垂直。TE波（橫電波）：電場(chǎng)與電磁波傳播方向相垂直，傳播方向上只有磁場(chǎng)分量。TM波（橫磁波）：磁場(chǎng)與電磁波傳播方向相垂直，傳播方向上只有電場(chǎng)分量。

TEM波模型的電場(chǎng)（E）、磁場(chǎng)（H）與電磁波傳播方向（V）垂直。TEM傳輸線上電磁波的傳播速度與頻率無(wú)關(guān)。

TEM波模型1.1.3傳輸線舉例TEM傳輸線常用的有雙線傳輸線、同軸線、帶狀線和微帶線（傳輸準(zhǔn)TEM波），用來(lái)傳輸TEM波的傳輸線一般由兩個(gè)（或兩個(gè)以上）導(dǎo)體組成。

1.1.3傳輸線舉例1.同軸線當(dāng)頻率高達(dá)10GHz時(shí)，幾乎所有射頻系統(tǒng)或測(cè)試設(shè)備的外接線都是同軸線。如前圖所示，同軸線由內(nèi)圓柱導(dǎo)體（半徑為a）、外導(dǎo)體（半徑為b）和它們之間的電解質(zhì)層組成。通常，外導(dǎo)體接地，電磁場(chǎng)被限定在內(nèi)外導(dǎo)體之間，所以同軸線基本沒(méi)有輻射損耗，也幾乎不受外界信號(hào)干擾。同軸線的工作頻帶比雙線傳輸線寬，因此可以用于大于厘米波的波段。1.2傳輸線等效電路表示法

電路工作頻率的提高意味著波長(zhǎng)的減小，當(dāng)頻率提高到超高頻時(shí)，相應(yīng)的波長(zhǎng)范圍為10～100?cm；當(dāng)頻率繼續(xù)提高時(shí)，波長(zhǎng)將與電路元件的尺寸相當(dāng)，電壓和電流不再保持空間不變，不能再通過(guò)基爾霍夫電壓和電流定律對(duì)宏觀的傳輸線傳輸特性進(jìn)行分析，而必須用波的特性來(lái)分析它們。但是，可以對(duì)傳輸線進(jìn)行分割，當(dāng)傳輸線被分割成較小的線段時(shí)，它既可以用分布參量來(lái)描述，在微觀尺度上也遵循基爾霍夫定律。因此，每個(gè)被分割的單元可以用下圖所示的等效電路來(lái)描述。雙線傳輸線的等效表示1.2傳輸線等效電路表示法

把雙線傳輸線分為長(zhǎng)度為Δz的線段。在z和z+Δz之間的小段傳輸線上，每個(gè)導(dǎo)體（兩根傳輸線）用電阻和電感的串聯(lián)來(lái)描述。在Δz長(zhǎng)度內(nèi)的分割單元滿足集總參量。

分布參數(shù)：分布電阻R、分布電導(dǎo)G、分布電感L和分布電容C。它們的數(shù)值均與傳輸線的種類、形狀、尺寸及導(dǎo)體材料和周圍媒質(zhì)特性有關(guān)。1.2傳輸線等效電路表示法這種分割到微觀的表示法的優(yōu)點(diǎn)：能夠引入分布量描述，在微觀尺寸上的分析可以遵循基爾霍夫定律，同時(shí)也提供了一個(gè)更直觀的圖形。分布參數(shù)定義如下：分布電阻R——傳輸線單位長(zhǎng)度上的總電阻值，單位為Ω/m；分布電導(dǎo)G——傳輸線單位長(zhǎng)度上的總電導(dǎo)值，單位為S/m；分布電感L——傳輸線單位長(zhǎng)度上的總電感值，單位為H/m；分布電容C——傳輸線單位長(zhǎng)度上的總電容值，單位為F/m。

均勻傳輸線是指?jìng)鬏斁€的幾何尺寸、相對(duì)位置、導(dǎo)體材料及導(dǎo)體周圍媒質(zhì)特性沿電磁波的傳輸方向不改變的傳輸線，即沿線的分布參數(shù)是均勻分布的。

1.3傳輸線方程及傳輸線特征參數(shù)3．電阻R、電感L和電容C的阻抗“電阻”=R，“電抗”=0“電阻”=0，“電抗”=，為感抗“電阻”=0，“電抗”=，為容抗1.3傳輸線方程及傳輸線特征參數(shù)4．基爾霍夫定律表示傳輸線的一般方程把雙線傳輸線分割成足夠小的線段，即可建立使用基爾霍夫定律的模型。用基爾霍夫電壓定律應(yīng)用于上圖的回路可得兩邊同除，取極限得

式中，R和L為雙線的組合電阻和電感。1.3傳輸線方程及傳輸線特征參數(shù)對(duì)上圖節(jié)點(diǎn)a應(yīng)用基爾霍夫電流定律，可得同理可得由以上兩個(gè)結(jié)論公式可得1.3傳輸線方程及傳輸線特征參數(shù)由以上通解方程可以看出：（1）傳輸線上任意位置的復(fù)數(shù)電壓和電流均由兩部分組成；（2）第一項(xiàng)是向+z方向傳播，即由信號(hào)源向負(fù)載方向傳播的行波，稱為入射波，其振幅不隨傳輸方向變化，其相位隨傳播方向z的增加而滯后；（3）第二項(xiàng)是向-z方向傳播，即由負(fù)載向信號(hào)源方向傳播的行波，為反射波，其振幅不隨傳播方向變化，其相位隨反射波方向-z的增加而滯后；（4）入射波和反射波都是隨傳播方向振幅不變和相位滯后的行波；（5）傳輸線上任意位置的電壓和電流均是入射波和反射波的疊加。1.3傳輸線方程及傳輸線特征參數(shù)特性阻抗將通解帶入電壓微分式得：整理可得：電壓和電流是通過(guò)阻抗聯(lián)系起來(lái)的，引入特性阻抗Z0：當(dāng)研究無(wú)耗傳輸線模型時(shí)R=G=0，特性阻抗簡(jiǎn)化為：

1.3傳輸線方程及傳輸線特征參數(shù)將電流通解代入上述I(z)，可得結(jié)論：特性阻抗是傳輸線上入射波電壓與入射波電流之比，或反射波電壓與反射波電流之比的負(fù)值。雖然特性阻抗可以用電壓和電流比來(lái)表示，但它本身是針對(duì)于某一特定的傳輸線而言的，與負(fù)載無(wú)關(guān)。在引入特性阻抗后，我們對(duì)傳輸線方程做第一次變形得到1.4均勻無(wú)耗傳輸線工作狀態(tài)分析行波系數(shù)與駐波系數(shù)

反射波的大小除了用電壓反射系數(shù)來(lái)描寫外，還可用駐波系數(shù)或行波系數(shù)來(lái)表示。駐波系數(shù)ρ定義為沿線合成電壓(或電流)的最大值和最小值之比，即

可見(jiàn)，當(dāng)入射波的相位與該點(diǎn)反射波的相位同相時(shí)，則該處合成波電壓（或電流）出現(xiàn)最大值，反之兩者相位相反時(shí)，合成波出現(xiàn)最小值，故有

1.4均勻無(wú)耗傳輸線工作狀態(tài)分析由上式可得：

或

行波系數(shù)K定義為沿線電壓(或電流)的最小值與最大值之比，即駐波系數(shù)的倒數(shù)：

三種反射系數(shù)的極端情況：（1）|Γ|?=?0，即有入射波沒(méi)有反射波時(shí)（無(wú)反射）ρ=1，K=1（2）|Γ|?=?1，即入射波完全返回（全反射）ρ=∞，K=0（3）當(dāng)0<|Γ|<1時(shí)（部分反射）1<ρ<∞，0<K<1這三種狀態(tài)分別為無(wú)反射，為行波狀態(tài)；全反射，為駐波狀態(tài)；部分反射，為行駐波狀態(tài)。1.4均勻無(wú)耗傳輸線工作狀態(tài)分析行波工作狀態(tài)傳輸線上電壓為最大值的點(diǎn)也稱為電壓波腹點(diǎn)，電壓為最小值的點(diǎn)也稱為電壓波谷點(diǎn)或電壓波節(jié)點(diǎn)；同樣，傳輸線上電流為最大值的點(diǎn)也稱為電流波腹點(diǎn)，電流為最小值的點(diǎn)也稱為電流波谷點(diǎn)或電流波節(jié)點(diǎn)。傳輸線只存在入射波而沒(méi)有反射波，這種工作狀態(tài)稱為行波工作狀態(tài)。傳輸線的工作狀態(tài)取決于終端負(fù)載，行波狀態(tài)的負(fù)載條件：

即終端阻抗等于傳輸線的特性阻抗,也稱為負(fù)載完全匹配，完全匹配就是說(shuō)讓負(fù)載將入射波的能量完全吸收。

在行波狀態(tài)下

1.4均勻無(wú)耗傳輸線工作狀態(tài)分析駐波工作狀態(tài)

兩個(gè)振幅相同、頻率相同、相位相同或相位差恒定的波源（相干波），在同一直線上，沿相反方向傳播時(shí)，疊加后成為駐波。駐波電壓變化如圖所示。駐波工作狀態(tài)中某些點(diǎn)的合成電壓永遠(yuǎn)為零，取最小值點(diǎn)，這些點(diǎn)稱為節(jié)點(diǎn)。在某些點(diǎn)的合成電壓的振幅具有最大值，這些點(diǎn)稱為腹點(diǎn)。其他各點(diǎn)的合成電壓的振幅在0與最大值之間。波腹點(diǎn)是最大值點(diǎn)并不是說(shuō)這一點(diǎn)的值是固定不變的，它也在做著簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)。1.4均勻無(wú)耗傳輸線工作狀態(tài)分析駐波狀態(tài)意味著入射波功率完全沒(méi)有被負(fù)載吸收，即負(fù)載與傳輸線完全失配。在駐波狀態(tài)時(shí)，入射波等于反射波，也就|Γ|=1下面討論|Γ|=1的不同負(fù)載的幾種情況：1.短路情況短路是指，此時(shí)

在

時(shí)，輸入阻抗

可以看出在終端（z=0）時(shí)，電壓波為節(jié)點(diǎn)，電流波為腹點(diǎn)。而且電壓電流電阻有相同的變換頻率，都具有λ/2的周期性。1.5本章小結(jié)

特性阻抗Z0為