大家好，今天接著學習傳輸線的相關知識。

在《微波傳輸線的發展》中我們簡要介紹了常見微波傳輸線的發展史，從最開始的平行雙線，到同軸線，再到波導，再到帶狀線/微帶線，到共面波導，再到SIW。傳輸線的發展和通信的需求密切相關，隨著頻率的升高，雙線的性能已經遠不能滿足通信的需求，所以工程師們發展了封閉的同軸線和金屬波導，隨著集成化的需求，又發展出了帶狀線和微帶線以及共面波導，在毫米波的需求下，又進一步發展除了基片集成波導。每一種傳輸線都有其獨特的性能和使用范圍。但是要說哪一種傳輸線應用最廣，應該是非同軸線莫屬。

最早的同軸線專利是在1931年，美國AT&T實驗室的Lloyd Espenschied 和 Herman Affel 提出了一種新型的微波傳輸線——同軸線，完美解決了平行雙線的高頻泄露問題。專利部分截圖如下：

同軸線是一種TEM傳輸線，能夠在很寬的頻帶內使用，而且其功率容量和損耗都比較小，尤其在實驗測試，射頻連接器中應用最廣。我們今天一起來學習一下同軸線，看看它的性能為什么如此優秀？同時簡單學習一下其在射頻無源器件設計中的應用，比如功分器，濾波器等。

同軸線的結構

圖1給出了同軸電纜的示意圖，同軸線主要有內外兩根圓柱導體構成，是一種雙導體傳輸系統，分為軟硬兩種結構，硬同軸線一般內導體由銅棒或者銅線，外導體是同心的銅管，內外導體之間由低損耗介質支撐，又稱為同軸波導；軟同軸線的內導體一般由一根銅線或者多根銅絲組成，外導體是由細銅絲編制的圓筒形網構成，在外導體網外面有一層橡膠保護層，以免銅網損壞，這種同軸線又叫做同軸電纜。

圖1，同軸電纜示意圖

同軸線的主模是TEM模，高次模是TE和TM模，我們一起分析一下同軸線的主模，高次模，傳輸功率和損耗。

同軸線的模式分析

為了分析簡單，我們把同軸線放在圖2所示的坐標系下，同軸線的外導體內半徑為 b，內導體外半徑為 a，同軸線沿 z 軸無限長。內外導體之間是無耗介質。

圖2，同軸線示意圖

在《微波工程》第二章中分析了同軸線的分布參數參量，我們直接把公式放到下面，

假設同軸線是無耗傳輸系統，那么它的特征阻抗可以有下面公式確定：

這個也是同軸線最重要的阻抗公式，希望大家牢記，進一步簡化為：

對于常用的阻抗50歐姆和75歐姆，分別對應的內外徑比為2.303和3.59. 這兩個值在無源器件設計中經常用到。當內外徑比為3.59時，同軸線的損耗最小，由此構成的諧振腔的Q0也最高。

圖3 同軸線TEM模場分布

同軸線的場分布也是必須掌握的一個，圖3 給出了同軸線TEM模的場分布圖。電場優內導體指向外導體均勻，而磁場環繞內導體分布，越靠近內導體表面，磁場越強，內導體表面電流密度要比外導體表面電流密度強的多，所以同軸線的損耗主要發生在內導體表面上，因此對內導體表面的導電率要求也越高。根據同軸線的磁場分布，可以看出，同軸線TEM模的壁面電流沿著同軸線的軸向分布，工程上可以通過在同軸線外導體上開縱向槽制作同軸駐波測量線用來測量同軸線的駐波系數。也可以通過切斷同軸線外導體表面的電流線形成電磁波的輻射和接收，來制作泄露電纜用于地鐵或者隧道的移動通信。

圖4 同軸泄露電纜

同軸線的高次模

當同軸線的橫截面尺寸可與工作波長相比擬時，就會產生高次模TE和TM模。下圖給出了同軸線中TM模和TE模的截止波長分布圖。截止波長在波導的分析中會用到，也就是說，當波長大于截止波長時，這個模式的波不會傳播，不同的模式的截止波長不同，如果要想單純的傳輸TEM模，只需要使得截止波長最長的模式抑制掉就可以，在同軸線中，TE11模是截止波長最長的高次模。只需要把TE11模處于截至狀態即可。

也就是TEM模的波長要大于TE11模的截止波長，即：

或者選擇同軸線尺寸使其滿足：

對于特征阻抗為50歐姆的同軸線，b=2.303a，也就是

這也是為什么，同軸線的工作頻率越高，其橫截面越小的原因。下表給出了常用射頻連接器的相關性能，大家可以關注一下工作頻率范圍和內外徑尺寸的關系。

很少有人會用到同軸線的高次模，在絕大多數情況下，高次模對設計者來說是一個很煩人的東西，下圖是同軸線中三個較低高次模的場分布圖。萬一哪天用得到呢？

審核編輯 ：李倩