第 4章 工程状态分析 (Ⅱ )
Working Process Analysis(Ⅱ )
在上面一讲中,我们引进了分析无耗传输线的两个重要工作参数 —— 反射系数和阻抗 Z
0
0
'2
)'(
)'(
)'(
)0'()'(
)'(/)'()'(
)'(
ZzZ
ZzZ
z
ezz
zUzUz
z
zj




反射系数
)'(1
)'(1
)'(
't a n
't a n
)'(
)'(/)'()'(
)'(
0
0
0
0
z
z
ZzZ
zjZZ
zjZZ
ZzZ
zIzUzZ
zZ
l
l


阻抗和无耗传输线的两种重要工作状态
0)'(
)'(
)(
)(
0
0
0




z
ZzZ
eIzI
eUzU
zj
zj
行波状态






)(
2
1
t a n2)(
)(
2
1
s i n2)(
)(
2
1
s i n2)()'(
t a n2
)(
2
1
)(
2
1
0
1







ll
l
j
l
l
j
l
zj
l
zj
l
l
l
j
ll
zZjzZ
zeIjzI
zeUjeeUzU
Z
X
ejXZ
l
l
l
其中,
全驻波状态全驻波状态是用 坐标分析的,行波则用 z坐标 。
对于一般情况,我们以后均采用 坐标 —— 只是需注意:这时 表示向 z方向的入射波 。
'Z
' zje?
等效长度 概念特别重要,有了等效长度的概念,
我们只要令
zzz
一切均与短路传输线上类似,也就是我们只需分析短路传输线



0
1t a n
22
1
Z
Xz lg
l?

(4-1)
(4-2)
只要注意场分布在任意情况下,与短路状态相比较,
多了一相位因子
lje 21
短路状态,开路状态l 0?l?
(4-3)
本讲分析工作状态时,将进一步推广等效长度的概念 。
所谓行驻波状态,即最一般的部分反射情况一,行驻波状态场分布
(4-4)
(4-5)


lll
l
j
ll
jXRZ
e l 1||||,其中?
和全驻波情况类似,分析行驻波情况沿线电压,电流分布










)(
2
1
'c os
||2|)|1(
)()'(
)(
2
1
's i n
||2|)|1(
)()'(
)(
2
1
'
''
)(
2
1
'
''






l
j
ll
zj
ll
zj
l
zj
l
l
j
ll
zj
ll
zj
l
zj
l
z
eIeI
eeIzI
z
eUjeU
eeUzU
l
l
一,行驻波状态场分布
(4-6)
由形式似乎看出:前一部分是行波,而后一部分是全驻波 。
一,行驻波状态场分布
z 0
0
U I
I
,
Z = R + Xl l l
U
U
U
max
min
行 波部 分驻 波 部 分图 4-1 行驻波传输线研究任意 处的阻抗,根据定义'z )'(zZ


















l
l
l
l
l
l
llll
llll
zj
l
zj
zj
l
zj
zj
l
zj
l
zj
zj
ZzZ
zjz
zjz
Z
ee
ee
Z
e
e
ZzZ
ll
ll
l
l








2
1
't a n
||1
||1
2
1
't a n
||1
||1
)'(
2
1
's i n|)|1(
2
1
'c o s|)|1(
2
1
's i n|)|1(
2
1
'c o s|)|1(
||
||
||1
||1
)'(
0
0
2
1
'
2
1
'
2
1
'
2
1
'
0)'2(
)'2(
0
一,行驻波状态场分布一,行驻波状态场分布由上面推导,可引入第三个工作参数 —— 电压驻波比,用 VSWR(Voltage Standing Wave Ratio)
表示 。
||1
||1
l
l

1≤ ρ≤∞
(4-7)
也就是说,对于无耗传输线,不会小于 1。 (等于 1
对应行波情况 )。再次写出电压 表示式
)'(zU
''2 )1()'( zjzjll eeUzU




|)|1(|||)'(|
|)|1(|||)'(|
m i n
m a x
ll
ll
UzU
UzU
m i n
m a x
|)'(|
|)'(|
||1
||1
zU
zU
l
l?


一,行驻波状态场分布
(4-8)
于是这样,电压驻波比的物理意义是电压振幅最大值与最小值之比 。 很明显,它应大于等于 1。 对于行波,对于全驻波 。 电压驻波比 是系统参量,而不是线上各点的函数 。
1
一,行驻波状态场分布大家知道,不同的系统有不同的特性阻抗 。
为了统一和便于研究,常常提出归一化 (Normalized)
概念,即阻抗 称为归一化阻抗
0Z
0/)'( ZzZ
0/)'()'( ZzZzZ?
这样,就把问题的共性 (与 Z0无关的部分 )提取出来了 。 于是有




2
1
't a n
2
1
't a n1
)'(
zj
zj
zZ
(4-9)
(4-10)
一,行驻波状态场分布为了将 Zl=Rl< Z0作为标准状态加以比较,式 (4-
10)又可写成






)(
2
1
't an
)(
2
1
't an1
)'(




l
l
zj
zj
zZ
再注意到反射系数
(4-11)
一,行驻波状态场分布对应的反射系数相位
ll
ll
l
l
l
l
l jXRZ
jXRZ
ZZ
ZZ
ZZ
ZZ




)(
)(
0
0
0
0
0
0








l
l
l
l
l RZ
X
RZ
X
0
1
0
1 t a nt a n
(4-12)
(4-13)
二,Zl=Rl< Z0标准状态和全驻波传输线短路状态类似,我们把 Zl=Rl< Z0作为行驻波传输线的标准状态 。 因为 Xl=1,Zl-Rl> 0可知
l






'c o s||2|)|1()'(
's i n||2|)|1()'(
'
'
zIeIzI
zUjeUzU
ll
zj
ll
ll
zj
ll
't an
't an1)'(
zj
zjzZ
s


(4-14)
(4-15)
(4-16)
二,Zl=Rl< Z0标准状态
R < Zl0
z 0
U
U,I
I
图 4-2 < 状态ll RZ? 0Z
二,Zl=Rl< Z0标准状态考虑 到,可知这时的电压驻波比
l
l
l RZ
RZ

0
0||
lll
l
RR
Z 1
||1
||1 0

(4-17)
标准状态下电压驻波比 等于归一化负载电阻的倒数 。 (这一点很好记忆:此时归一化负载电阻 <
1,而 必须大于 1)。
lR
三,> 状态
ll RZ? 0Z
行驻波的这一状态与全驻波开路状态类似,
< 0。 于是,,即
,0?lX
))/((t a n0))/((t a n 0101 llll RZXRZX,lRZ?0
0?l?






's i n||2|)|1()'(
'c o s||2|)|1()'(
'
'
zIjeIzI
zUeUzU
ll
zj
ll
ll
zj
ll
't an1
't an)'(
0 zj
zjzZ



(4-18)
(4-19)
(4-20)
z
U
U,I
I
0
z
R < Zl0
三,> 状态
ll RZ? 0Z
对比式 (4-16)和 (4-20)可知在形式上,有
)'(
1)'(
0
0 zZzZ?
图 4-3 > 状态ll RZ? 0Z
(4-21)
三,> 状态
ll RZ? 0Z
在这种情况下,,于是有
l
l
l RZ
RZ

0
0||
l
l
l
l R
Z
R


0||1
||1? (4-22)
也就是说,>,电压驻波比 等于归一化负载电阻,与全驻波状态完全类比 。 我们可以推广等效长度概念,令
ll RZ? 0Z?
1R
z?
zzzz l ')(2 1''
(4-23)
三,> 状态
ll RZ? 0Z
那么波节点的坐标是 。 的物理意义是从负载出发到波节点的 负 距离,因此到波节点的距离可写为,有
0"?z
mind
z?
0" m i n zdz
gzd?41m i n
一般取+号 。
(4-24)
(4-25)
四,任意状态
lll jXRZ
计及,可知








l
l
l
l
l RZ
X
RZ
X
0
1
0
1 t a nt a n








l
l
l
l
RZ
X
RZ
Xgz
0
1
0
1 t a nt a n
4?
电压,电流沿线分布




)'(co s||2)||1()'(
)'(s i n||2)||1()'(
)(
2
1
'
)(
2
1
'
zzeIeIzI
zzeUjeUzU
l
l
j
ll
zj
ll
j
ll
zj
ll


(4-27)
(4-26)
四,任意状态
lll jXRZ
而阻抗 分布为)'(zZ
)'(t a n
)'(t a n1)'(
zzj
zzjzZ




上面写法是以小电阻 < 作为标准状态 。 只要
,即完全归于标准状态 。 lz,0
ll RZ? 0Z
(4-28)
四,任意状态
lll jXRZ
Xl< 0容性负载情况 Xl> 0感性负载情况
)294(
||
t an
||
t an
4 0
1
0
1
m i n



l
l
l
l
RZ
X
RZ
Xg
zd
)304(t a n
t a n
42
1
2
1
0
1
0
1
m i n


l
l
l
l
RZ
X
RZ
Xg
g
zgd
四,任意状态
lll jXRZ
z 0
z
z
0
Z =R + Xl l l
z
d min
U
U
X <0 情 况l
X >0 情 况l
d min z
l g
1
2图 4-4
五,行驻波阻抗图形已得导出
)'(t an
)'(t an1)'()'()'(
zzj
zzjzZjzRzZ




很 容易得到




)'(t a n
)1)('(t a n
)'(
)'(t a n
)]'(t a n1[
)'(
22
2
2
2
zz
zz
zX
zz
zz
zR




(4-31)
五,行驻波阻抗图形画出行驻波阻抗图形,可以发现其性质。
0m in
1 ZR

(4-32)
[性质] ·行驻波阻抗依然有 波长周期性。
·感性和容性 (也可以说是串联谐振和并联谐振 )
一次变换性质。
·在电压波节点,阻抗为纯阻,但最小
2/g?
4/g?
在电压波腹点,阻抗也是纯阻,但最大
0m in ZR
(4-33)
五,行驻波阻抗图形
z 0
Z =R + Xl l l
z 0
),( zX )
R maxR (z )
R min
X
1
(z )
R (z
图 4-5 行驻波阻抗特性五,行驻波阻抗图形
·从图形中还可以看出,全驻波传输线阻抗只有电抗,
没有电阻,而电抗始终是正斜率 (也称 Foster定理 )。
而行驻波传输线的阻抗既有电抗,又有电阻,且电抗
(在并联谐振处 )出现负斜率。
六,功率关系重新记起一般行驻波情况下,沿线的电压、电流分布


))'(1()'(
))'(1()'(
'
0
'
ze
Z
UzI
zeUzU
zjl
zj
l
写出传输功率 (注意是实功率,不包括虚功率 )的一般表示式




0
*
22
0
2
0
2
*'
0
*
'
*
)'()'(
|||)'(|
||||
2
1
)}'(1())'(1({
2
1
)}'()'({
2
1
)'(
Z
zz
Uz
Z
U
Z
U
R
ze
Z
U
zeUR
zIzURzP
l
ll
l
zjlzj
le
e

(4-34)
六,功率关系注意到上述推导中应用了无耗传输线
ea lRZ?0
的条件,且
0
2||
2
1)'(
Z
UzP l
i
表示入射功率
2
0
2
|)'(|||21)'( zZUzP lr
表示反射功率
0)]'()'([ * zzR e
(4-35)
(4-36)
(4-37)
(4-38)
六,功率关系于是
)|)'(|1(
||
2
1
)'()'()'(
2
0
2
z
Z
U
zPzPzP
l
ri


式 (4-39)表明:传输功率等于入射波功率减去反射波功率,其中
0)'()'(||21
0
*
2?



Z
zzUR
le
表示入射波和反射波没有相互作用,或者换句话说,对于无耗传输线,反射波与射波是独立的。
(4-39)
六,功率关系
·对于行波传输线
)(||21)'(
0
2
zPZUzP il
·对于全驻波传输线
0)'(?zP
即全驻波传输线没有传输功率,或者说,入射波功率等于反射波功率。
(4-40)
(4-41)
六,功率关系
·特殊地,在电压波腹或波节点,由于阻抗是纯阻,
因此电压、电流必然同相


0
2
m a x
m a xm i n
0
2
m i n
m i nm a x
||
2
1
||||
2
1
)'(
||
2
1
||||
2
1
)'(
ZI
IUzP
Z
U
IUzP
可见,传输线 愈大传输功率愈小。
(4-42)
(4-43)
PROBLEMS 4
一、求如图系统的输入反射系数 和沿线电压 分布。

R
1 R 2

R
3

u = 1 V
l
l = g / 4?
uz( ')

Z
j50
l
ls
二、要使如图系统输入反射系数,试求传输线长度 l 和短路支节长度 ls。
0
PROBLEMS 4