微波傳輸線的基礎知識

微波傳輸線是微波工程的基礎，今天我們再來詳細學習一下微波傳輸線的基礎知識。目前常用的微波傳輸線包括平行雙線，同軸線，金屬波導，介質(zhì)波導，微帶線，共面波導，基片集成波導等多種傳輸線形式，每一種傳輸線都有其適用范圍。

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各種形式的微波傳輸線

如上圖所示，微波傳輸線的形式多種多樣，不同的結(jié)構應用場景也各有不同。我們下面一一介紹。

平行雙線

有兩根平行的導體組成，可以用來傳出低頻電磁波，例如在短波波段。但是由于平行雙線的結(jié)構是敞開的，輻射損耗隨著電磁波頻率的升高而增大。 平行雙線的電磁場分布如下圖所示：

其特性阻抗與平行雙線的間距和導體的直徑相關：

平行雙線傳輸?shù)氖?a href="http://www.ttokpm.com/tags/te/" target="_blank">TEM波，在現(xiàn)在射頻設計中的應用很少，主要原因是在當頻率升高時，尤其是當平行雙線之間的距離與電磁波波長相當時，電磁波能量的輻射損耗會比較嚴重，但是減小平行雙線的距離，會減小擊穿電壓，從而降低功率容量。

當前，平行雙線多用于短波通信或者中波通信從發(fā)射機到天線的天饋線中，應用也比較少。

同軸線

同軸線有內(nèi)外導體組成，電磁波在內(nèi)外導體之間傳輸，外導體對電磁波具有屏蔽左右，因而可以減少輻射損耗。但是隨著電磁波頻率的升高，趨膚效應加重，流經(jīng)導體的電流越來越集中在導體表面，這相當于叫囂了導體的橫截面，增大了電阻，從而使導體損耗增加。此外，由于同軸線的內(nèi)導體需要介質(zhì)來支撐，而介質(zhì)損耗隨著頻率的升高而增加。

同軸線的主要工作模式是TEM模，工作頻段可從直流一直到毫米波頻段，具有寬頻段特征，其TEM模電磁場分布如下：

同軸線單位長度的分布電感/電容和電阻參數(shù)如下：

同軸線傳輸?shù)囊彩荰EM波，傳播方向是軸線的方向。同軸線的特性阻抗，波速和波長參數(shù)如下：

當同軸線的橫截面與波長相比擬時，同軸線內(nèi)將出現(xiàn)高次模。因此，要使得同軸線工作在TEM模式，其結(jié)構尺寸需要滿足：

同軸線是一種寬頻帶傳輸線，其工作頻率可以達到100G以上，注意，工作頻率越高，其結(jié)構尺寸越小。同軸線廣泛應用于各種通信系統(tǒng)，微波系統(tǒng)中。
金屬波導通常是指空心的金屬管構成，根據(jù)金屬管橫截面的形狀，可分為矩形波導和圓波導。金屬波導具有損耗低，功率容量大等優(yōu)點，因此多用在傳輸大功率信號上。

波導內(nèi)的場分布如下：

介質(zhì)波導是由介質(zhì)構成的非封閉式微波傳輸線。介質(zhì)波導工作時，電磁波沿著介質(zhì)波導在戒指內(nèi)部和表面附近區(qū)域進行傳輸。介質(zhì)波導傳輸?shù)碾姶挪ㄔ诮橘|(zhì)外沿橫向方向隨離開介質(zhì)表面距離的增加指數(shù)衰減，這種波被稱為表面波。因此介質(zhì)波導也成為表面波波導。 介質(zhì)波導有多種結(jié)構形式，有介質(zhì)板，介質(zhì)覆導體板，介質(zhì)桿，土介質(zhì)單導線，介質(zhì)鏡像線，H型波導和O型波導等。如下圖所示：

介質(zhì)波導的原理是在高介電常數(shù)介質(zhì)表面具有完全反射電磁波的特性，因此如同在金屬波導中一樣，電磁波能量也被限制在高介電常數(shù)介質(zhì)內(nèi)部。 微帶線是由沉積在介質(zhì)基片上的金屬導體線和接地板構成的傳輸線，其基本結(jié)構有對稱微帶線和不對稱微帶線兩種，如下圖所示

微帶線具有體積小，重量輕，頻帶寬，可集成化等優(yōu)點，同時它的缺點是損耗大，Q值低，功率容量第。 微帶線的工作模式是準TEM模，微帶線的演變過程如下圖

由于微帶線的介質(zhì)板的介電常數(shù)比較高，電場主要集中在金屬導體線和接地板之間的介質(zhì)區(qū)域內(nèi)，所以微帶線的輻射損耗并不大，同時可通過加屏蔽罩的方式進一步較小輻射損耗。 共面波導 它的結(jié)構類似于微帶線，是在微帶線的金屬導線兩側(cè)加上接地板，而在介質(zhì)基片的地面沒有接地板，如下圖所示：

為了使電磁場能夠更加集中在中心導體帶條和接地板所在的窘其與介質(zhì)交接處，應采用高介電常數(shù)的材料作為介質(zhì)基片。共面波導的傳輸模也是準TEM模。 共面波導作為一種性能優(yōu)越、加工方便的微波平面?zhèn)鬏斁€，在MMIC電路中正發(fā)揮越來越大的作用，尤其到了毫米波頻段，共面波導更擁有微帶線所不可比擬的性能優(yōu)勢。與常規(guī)的微帶傳輸線相比，共面波導具有容易制作，容易實現(xiàn)無源、有源器件在微波電路中的串聯(lián)和并聯(lián)(不需要在基片上穿孔)，容易提高電路密度等優(yōu)點。與對稱共面波導相比，非對稱共面波導與兩端器件相聯(lián)時，具有更大的靈活性?；刹▽?SIW傳統(tǒng)的矩形波導具有低損耗，高Q值，功率容量大等優(yōu)點，在微波電路中得到了廣泛的應用，但是矩形波導很難與微波，毫米波電路集成?；刹▽г谏舷路蠼饘侔宓慕橘|(zhì)基片上插入兩排金屬短路過孔而形成的，結(jié)構如下圖所示：

審核編輯 ：李倩