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              传输线的特性阻抗和集总参数阻抗联系和区别

              微波射频网 ? 2020-08-19 17:31 ? 次阅读

              一、简介

              特性阻抗可以说是分布式参数电路中最重要的电气参数,但它也是容易使刚接触射频电路的人感到困惑的话题。由于它的名字里有阻抗二字,暗示着它在量纲上等于电压和电流的比值,但是它和集总参数阻抗必然是不同的,那么传输线的特性阻抗和集总参数阻抗究竟有什么联系和区别?我们来一起探讨,一一解答。 ?

              二、传输线的即时阻抗

              这里我们讨论的传输线是由两个具有一定长度的导体构成的。为了便于突出问题的重点,以下讨论中的传输线均是理想无损耗的。 如图1所示,假设我们在向右无限延伸的传输线左侧接一个理想恒压源,并且在t=0的时候将开关从断开转换到闭合状态,那么传输线开始感受到电源的“压力”。任何事情都不是一蹴而就的,沿着传输线长度的方向并不是所有的位置都立刻建立起了电势差,电势差的建立需要一个电压传播的过程,而传播的速度是光速。

              图1 一端外加电源的传输线电路 ? 在开关闭合后的某时刻,沿传输线方向的电势差分布如图2所示。在靠近电源的传输线部分已经建立起电势差,维持电势差需要在传输线的上导体积累正电荷,在下导体积累负电荷。每经过一段时间,电压波会沿着传输线方向推进,而电压波波前的下一段传输线即将在两个导体之间建立电势差。使原本没有电势差的传输线部分建立电势差需要提供额外的正负电荷,搬运正负电荷的工作是由电源来完成的,这个过程是一个给电容充电的过程。

              图2 某时刻电压波沿传输线的传播情况 ? 在均匀传输线中,电压波传播的速度是恒定的,即相同时间内一定长度的传输线会被充电,由于横截面均匀,同一长度传输线对应的电容大小也是相同的,因此需要的电荷量是固定的。我们可以认为,在δt这一小段时间内,由δQ的负电荷(电子)被从传输线上导体的某一段转移到下导体对应的位置上,从而建立起该段传输线的电势差。对于电源而言,需要持续输出电流I=δQ/δt,因此在电源看来,这条传输线和一个负载电阻没有区别,这个负载电阻的大小就等于传输线的特性阻抗。如果传输线的横截面是非均匀的,那么随着电压波的传播,不同时刻电源输出电流的大小是变化的,即从电源所在的端口向传输线看去,看到的阻抗是随时间变化而改变的,因此这个阻抗被称为即时阻抗(instantaneous impedance)。即时阻抗等于即将被充电的那一段传输线的特性阻抗。 ? ?

              三、均匀传输线即时阻抗的推导

              假设图1中施加的恒压源电压为V,电压波在传播的过程中,传输线上建立起来的电势差等于恒压源电压V。假设单位长度的传输线的等效电容为C,而电压波在传输线中传播的速度为v,那么在一小段时间δt内,电压波传播的距离为,新充电的电容大小为,电源提供的电荷量为 δQ=Cvδt?V 那么电压源持续输出的电流大小为 I=δQ/δt=Cv?V 而即时阻抗为 Z=V/I=1/(Cv) 公式(1)

              图3 经典的传输线电路模型 ? 另一方面,经典的传输线方程是建立在图3所示的传输线电路模型基础上的,通过电报方程,我们可以推导出传输线的传播常数 ? 以及特性阻抗 ? 在无损耗传输线中R= 0 Ω,G= 0 S。电压波的传播速度可以由γ?推出: ? 因此有特性阻抗 ? 公式(2) 比较(1)和(2)我们可以看出,即时阻抗和传输线特性阻抗大小是相等的。 如果图1中是一条无限长均匀传输线,它将永远在充电的过程当中,因为电压波永远在前进状态。如果无限长均匀传输线的特性阻抗为Z0,那么它在电路中就可以被等效为一个大小为Z0的集总参数阻抗。 ? ?

              四、传输线电路的时域分析

              在上一小节我们了解到传输线的即时阻抗等于特性阻抗,我们可以利用这个规律对图4所示的传输线电路时域响应进行分析。这个电路包含一段长度为l,特性阻抗为R0的无损耗均匀传输线,在传输线坐标z = 0的一端连接着一个内阻为RS的直流电压源V0,在另一端连接负载RL,在t = 0的时候开关闭合,我们将分析在此之后的传输线电压分布情况。

              图4 进行时域响应分析的传输线电路 ? 在上一小节的分析中,我们知道电压波在传输线上的传播速度是有限的,即 , 在电压波到达负载电阻之前,电压波并不清楚电路前方是什么情况,它所感知到的是大小为R0的即时负载,因此这段时间内传输线上靠近电源一端的电势差可以通过串联分压求得: ? 与此同时,电压源持续输出的电流大小为 ? ? 这个状态一直持续到电压波到达传输线最右端,到达最右端的时间为 ? 此时电压波发现了新大陆,负载电阻RL≠R0。为了使负载电阻RL两端的电压电流满足欧姆定律,会产生沿着-z方向传播的反射电压波当反射电压波在t= 2T时到达最左端,又会产生一个沿着+z方向传播的反射波之后电压波在源和负载之间不断地来回反射,随着时间的推移,最后负载电阻两端的电压趋向于将V1+,ΓL以及ΓS的表达式带入上式进行化简,可以得到VL的简化表达式 ? 最后的表达式是意料之中的,因为图4的电压源为直流源,此时按照经典低频电路的看法,传输线是透明的,图4的电路就是一个负载电阻和电压源内阻的分压电路。 从上述分析可以看到,开关刚闭合的时候,电路是在RS和R0之间进行分压;达到稳态以后,是RS和RL之间进行分压,最后无论传输线特性阻抗R0是多少,都不影响VL的值。 ? ?

              参考文献

              [1]

              R. J. Cameron, C. M.Kudsia, and R. R. Mansour, MicrowaveFilters for Communication Systems: Fundamentals, Design and Applications, 2nded. Hoboken, NJ, USA: Wiley, 2018.

              [2]

              A. E. Atia and A. E. Williams, “A solution?fornarrow-band coupled cavities,” COMSAT Laboratories Tech. Memo. CL-39-70, 1970.

              原文标题:对传输线特性阻抗的解读

              文章出处:【微信号:mwrfnet,微信公众号:微波射频网】欢迎添加关注!文章转载请注明出处。

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              微带线宽度与阻抗有什么关系如何计算

              下面是 [微带线阻抗计算公式]的电路图  微带线阻抗计算公式:下图为模型,具体公式如下:50欧阻抗举....
              发表于 03-05 08:00 ? 1172次 阅读
              微带线宽度与阻抗有什么关系如何计算

              PCB的结构和加工流程线路阻抗控制线路阻抗计算的详细资料简介

              本文档的主要内容详细介绍的是PCB的结构和加工流程线路阻抗控制线路阻抗计算的详细资料简介。
              发表于 02-28 08:00 ? 237次 阅读
              PCB的结构和加工流程线路阻抗控制线路阻抗计算的详细资料简介

              电瓶修复—电池组受影响的使用寿命4

              1.9效率 电池的效率指电池的充放电效率或能量输出效率,在这里咱们指的是后者。对于电动汽车,续驶里程....
              的头像 电动车修理的经历和实战 发表于 02-27 15:04 ? 637次 阅读
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              如何轻松稳定带感性开环输出阻抗的运算放大器?

              一些运算放大器(运放)具有感性开环输出阻抗,稳定这一类运放可能比阻性输出阻抗的运算放大器更为复杂。
              发表于 02-26 14:33 ? 544次 阅读
              如何轻松稳定带感性开环输出阻抗的运算放大器?

              shijidianli3A,5A大地网的用途、原理过程,热点技术

              测量原理过程 大地网测试仪是由异频电源、电流和电压测量电路以及微电脑测控系统组成,器通过测量接地装置....
              的头像 电力预防性试验技术 发表于 02-18 10:29 ? 535次 阅读
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              shijidianli变压器整组试验的具体实现方法步骤

              变压器整组试验的具体实现方法步骤是由测试仪完成,我们推荐使用SJJB-IV三相继电?;げ馐砸?,采用D....
              的头像 电力预防性试验技术 发表于 02-17 14:18 ? 600次 阅读
              shijidianli变压器整组试验的具体实现方法步骤

              PCB设计中为什么一般要选用50欧姆的阻抗

              做PCB设计过程中,在走线之前,一般我们会对自己要进行设计的项目进行叠层,根据厚度、基材、层数等信息....
              发表于 01-29 16:04 ? 476次 阅读
              PCB设计中为什么一般要选用50欧姆的阻抗

              如何消除稳态误差

              本文档的主要内容详细介绍的是如何消除稳态误差。
              发表于 12-30 08:00 ? 283次 阅读
              如何消除稳态误差

              CJ431稳压管的数据手册免费下载

                本文档的主要内容详细介绍的是CJ431稳压管的数据手册免费下载
              发表于 12-25 15:54 ? 316次 阅读
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              脊波导特性及其定向耦合器的研究和设计

              与普通波导相比,脊波导具有很宽的单模传输带宽、主模截止波长更长、较小尺寸、较低的特性阻抗等优点而得到....
              发表于 12-18 16:41 ? 201次 阅读
              脊波导特性及其定向耦合器的研究和设计

              如何对PCB板进行特性阻抗控制设计

              近年来,IC集成度的提高和应用,其信号传输频率和速 度越来越高,因而在印制板导线中,信号传输(发射)....
              发表于 12-11 15:09 ? 345次 阅读
              如何对PCB板进行特性阻抗控制设计

              电路中产生公共阻抗耦合噪声的具体原因分析

              公共阻抗耦合是指噪声源回路和受干扰回路之间存在着一个公共阻抗,噪声电流通过这个公共阻抗所产生的噪声电....
              发表于 11-04 16:21 ? 678次 阅读
              电路中产生公共阻抗耦合噪声的具体原因分析

              高分辨率数字系统中的电阻器

              在大多数情况下,模拟信号由阻抗比决定。如果硬件开发人员能够了解长期保持稳定的精密模拟电子电路的好处,....
              发表于 11-04 15:38 ? 477次 阅读
              高分辨率数字系统中的电阻器

              PCB阻抗设计与叠层方案模型的详细教程

              随着信号传输速度的迅猛提高以及高频电路的广泛应用,对印刷电路板也提出了更高的要求。要得到完整??煽?。....
              发表于 10-30 17:44 ? 301次 阅读
              PCB阻抗设计与叠层方案模型的详细教程

              pcb设计中的阻抗计算方法

              关于阻抗的话题已经说了这么多,想必大家对于阻抗控制在pcb layout中的重要性已经有了一定的了解....
              发表于 10-27 09:54 ? 2219次 阅读
              pcb设计中的阻抗计算方法

              影响印刷电路板特性阻抗的因素有哪些应该如何应对

                本文给出了印刷电路板PCB特性阻抗的定义分析了影响特性阻抗的因素及PCB的构造参数对特性阻抗精度....
              发表于 10-25 14:28 ? 183次 阅读
              影响印刷电路板特性阻抗的因素有哪些应该如何应对

              TSU6111 具有集成阻抗和充电器检测的双 SP2T 微型 USB 开关

              TSU6111支持阻抗检测的差分高性能自动SP2T开关。这个开关特有阻抗检测,这一功能能够检测通过DP和DM附件的多种配件。充电器检测满足USB充电器规范v1.1。V BUS_IN 支持28V允差差电压以避免外部?;?。 这个设备通过附加的V BAT < /sub>或者V BUS_IN 进行供电。 此开关有自动检测逻辑控制或者通过I 2 C接口手动控制。当USB,UART JIG线缆在开发和制造期间被用来进行测试时,JIG和BOOT针脚启用.TSU6111支持开漏JIG输出(低电平有效)。 特性 双SP2T USB和UART路径支持USB 2.0高速接口 智能检测 插入/拔出检测 USB充电器检测 阻抗检测 检测功能与CEA-936A < br>兼容(4线协议,UART接口) 充电器检测 与USB BCDv1.1兼容 VBUS检测 数据接触检测 一级和二级检测 ...
              发表于 09-13 14:17 ? 220次 阅读
              TSU6111 具有集成阻抗和充电器检测的双 SP2T 微型 USB 开关

              TS3DV642 具有 1.8V 兼容控制和省电模式的 12 通道 1:2 MUX/DEMUX

              TS3DV642是一款12通道1:2或2:1双向多路复用器/多路解复用器.TS3DV642可由2.6V至4.5V的电源供电,适用于电池供电。应用。该器件的导通电阻(R ON )较低并且I /O电容较小,能够实现典型值高达7.5GHz的带宽。该器件可为HDMI和DisplayPort应用提供所需的高带宽。 TS3DV642具有断电模式,该模式下所有通道均具有高阻抗(Hi-Z),并且功耗极低。< /p> 特性 开关类型:2:1或1:2 动态特性 差分带宽( - 3dB) 端口A:典型值6.9GHz 端口B:典型值7.5GHz 串扰(1.7GHz时) :-40dB 隔离(1.7GHz时): - 23dB 拆入损耗(DC) 端口A:-0.75dB 端口B:-1.0dB 回波损耗(1.7GHz时): - 15.9dB 对内(位 - 位)偏移 端口 - 答:2ps 端口B...
              发表于 09-12 17:29 ? 427次 阅读
              TS3DV642 具有 1.8V 兼容控制和省电模式的 12 通道 1:2 MUX/DEMUX

              TSU6712 具有阻抗检测功能的 SP4T 开关,用于支持 USB、UART、音频和视频的微型 USB 开关

              TSU6712是具有阻抗检测的多重SP4T开关。这个开关特有阻抗检测,这一功能能够检测通过DP和DM附件的多种配件。通过使用I 2 C对TSU6712进行完全控制,并能够使得USB数据,立体声和单声道音频,视频使用一个共同的连接端口。 这个设备通过附加的VBAT或者VBUS进行供电。这个开关可以用I 2 C进行控制。当USB,UART JIG线缆在开发和生产期间被用来进行测试时,JIG和BOOT针脚启用。 特性 侦测功能与CEA-936A兼容(4线协议,UART接口) USB路径支持USB 2.0高速接口 支持在制造中(JIG,BOOT)使用的控制信号(USB,UART JIG) 配件连接,断开中断。 兼容附件 USB线缆,UART线缆,电视输出线缆 单声道,立体声耳机 用于DMB的??仄? 汽车配套组件 - CEA-936A 充电+电视输出 充电+立体声耳机 控制输入符合1.8 V逻辑要求 ...
              发表于 09-12 17:28 ? 52次 阅读
              TSU6712 具有阻抗检测功能的 SP4T 开关,用于支持 USB、UART、音频和视频的微型 USB 开关
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