微波傳輸線是微波工程的基礎(chǔ)，今天我們?cè)賮?lái)詳細(xì)學(xué)習(xí)一下微波傳輸線的基礎(chǔ)知識(shí)。目前常用的微波傳輸線包括平行雙線，同軸線，金屬波導(dǎo)，介質(zhì)波導(dǎo)，微帶線，共面波導(dǎo)，基片集成波導(dǎo)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(gòu)應(yīng)用場(chǎng)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(dǎo)體組成，可以用來(lái)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(gòu)是敞開(kāi)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(chǎng)分布如下圖所示：

其特性阻抗與平行雙線的間距和導(dǎo)體的直徑相關(guān)：

平行雙線傳輸?shù)氖?a href="http://www.3532n.com/tags/te/" target="_blank">TEM波，在現(xiàn)在射頻設(shè)計(jì)中的應(yīng)用很少，主要原因是在當(dāng)頻率升高時(shí)，尤其是當(dāng)平行雙線之間的距離與電磁波波長(zhǎng)相當(dāng)時(shí)，電磁波能量的輻射損耗會(huì)比較嚴(yán)重，但是減小平行雙線的距離，會(huì)減小擊穿電壓，從而降低功率容量。

當(dāng)前，平行雙線多用于短波通信或者中波通信從發(fā)射機(jī)到天線的天饋線中，應(yīng)用也比較少。

同軸線

同軸線有內(nèi)外導(dǎo)體組成，電磁波在內(nèi)外導(dǎo)體之間傳輸，外導(dǎo)體對(duì)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(yīng)加重，流經(jīng)導(dǎo)體的電流越來(lái)越集中在導(dǎo)體表面，這相當(dāng)于叫囂了導(dǎo)體的橫截面，增大了電阻，從而使導(dǎo)體損耗增加。此外，由于同軸線的內(nèi)導(dǎo)體需要介質(zhì)來(lái)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(chǎng)分布如下：

同軸線單位長(zhǎng)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(zhǎng)參數(shù)如下：

當(dāng)同軸線的橫截面與波長(zhǎng)相比擬時(shí)，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(gòu)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(dá)到100G以上，注意，工作頻率越高，其結(jié)構(gòu)尺寸越小。同軸線廣泛應(yīng)用于各種通信系統(tǒng)，微波系統(tǒng)中。
金屬波導(dǎo)通常是指空心的金屬管構(gòu)成，根據(jù)金屬管橫截面的形狀，可分為矩形波導(dǎo)和圓波導(dǎo)。金屬波導(dǎo)具有損耗低，功率容量大等優(yōu)點(diǎn)，因此多用在傳輸大功率信號(hào)上。

波導(dǎo)內(nèi)的場(chǎng)分布如下：

介質(zhì)波導(dǎo)是由介質(zhì)構(gòu)成的非封閉式微波傳輸線。介質(zhì)波導(dǎo)工作時(shí)，電磁波沿著介質(zhì)波導(dǎo)在戒指內(nèi)部和表面附近區(qū)域進(jìn)行傳輸。介質(zhì)波導(dǎo)傳輸?shù)碾姶挪ㄔ诮橘|(zhì)外沿橫向方向隨離開(kāi)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(dǎo)也成為表面波波導(dǎo)。 介質(zhì)波導(dǎo)有多種結(jié)構(gòu)形式，有介質(zhì)板，介質(zhì)覆導(dǎo)體板，介質(zhì)桿，土介質(zhì)單導(dǎo)線，介質(zhì)鏡像線，H型波導(dǎo)和O型波導(dǎo)等。如下圖所示：

介質(zhì)波導(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)體線和接地板構(gòu)成的傳輸線，其基本結(jié)構(gòu)有對(duì)稱微帶線和不對(duì)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(diǎn)，同時(shí)它的缺點(diǎn)是損耗大，Q值低，功率容量第。 微帶線的工作模式是準(zhǔn)TEM模，微帶線的演變過(guò)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(chǎng)主要集中在金屬導(dǎo)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(shí)可通過(guò)加屏蔽罩的方式進(jìn)一步較小輻射損耗。 共面波導(dǎo) 它的結(jié)構(gòu)類似于微帶線，是在微帶線的金屬導(dǎo)線兩側(cè)加上接地板，而在介質(zhì)基片的地面沒(méi)有接地板，如下圖所示：

為了使電磁場(chǎng)能夠更加集中在中心導(dǎo)體帶條和接地板所在的窘其與介質(zhì)交接處，應(yīng)采用高介電常數(shù)的材料作為介質(zhì)基片。共面波導(dǎo)的傳輸模也是準(zhǔn)TEM模。 共面波導(dǎo)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(lái)越大的作用，尤其到了毫米波頻段，共面波導(dǎo)更擁有微帶線所不可比擬的性能優(yōu)勢(shì)。與常規(guī)的微帶傳輸線相比，共面波導(dǎo)具有容易制作，容易實(shí)現(xiàn)無(wú)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(diǎn)。與對(duì)稱共面波導(dǎo)相比，非對(duì)稱共面波導(dǎo)與兩端器件相聯(lián)時(shí)，具有更大的靈活性。基片集成波導(dǎo) SIW傳統(tǒng)的矩形波導(dǎo)具有低損耗，高Q值，功率容量大等優(yōu)點(diǎn)，在微波電路中得到了廣泛的應(yīng)用，但是矩形波導(dǎo)很難與微波，毫米波電路集成。基片集成波導(dǎo)在上下敷金屬板的介質(zhì)基片上插入兩排金屬短路過(guò)孔而形成的，結(jié)構(gòu)如下圖所示：

審核編輯 ：李倩