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微波傳輸線的基礎(chǔ)知識

射頻學(xué)堂 ? 來源:射頻學(xué)堂 ? 作者:射頻學(xué)堂 ? 2022-10-20 14:51 ? 次閱讀
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微波傳輸線是微波工程的基礎(chǔ),今天我們再來詳細(xì)學(xué)習(xí)一下微波傳輸線的基礎(chǔ)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(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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01

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)用場景也各有不同。我們下面一一介紹。

平行雙線

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有兩根平行的導(dǎo)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(gòu)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:

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其特性阻抗與平行雙線的間距和導(dǎo)體的直徑相關(guān):

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平行雙線傳輸?shù)氖?a href="http://www.www27dydycom.cn/tags/te/" target="_blank">TEM波,在現(xiàn)在射頻設(shè)計中的應(yīng)用很少,主要原因是在當(dāng)頻率升高時,尤其是當(dāng)平行雙線之間的距離與電磁波波長相當(dāng)時,電磁波能量的輻射損耗會比較嚴(yán)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。

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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

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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)來支撐,而介質(zhì)損耗隨著頻率的升高而增加。

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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:

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同軸線單位長度的分布電感/電容和電阻參數(shù)如下:

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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:

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當(dāng)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(gòu)尺寸需要滿足:

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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,因此多用在傳輸大功率信號上。

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波導(dǎo)內(nèi)的場分布如下:

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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,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:

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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)有對稱微帶線和不對稱微帶線兩種,如下圖所示

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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(zhǔn)TEM模,微帶線的演變過程如下圖

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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(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,同時可通過加屏蔽罩的方式進(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)基片的地面沒有接地板,如下圖所示:

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為了使電磁場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。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(dǎo)相比,非對稱共面波導(dǎo)與兩端器件相聯(lián)時,具有更大的靈活性?;刹▽?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,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?;刹▽?dǎo)在上下敷金屬板的介質(zhì)基片上插入兩排金屬短路過孔而形成的,結(jié)構(gòu)如下圖所示:

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審核編輯 :李倩

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原文標(biāo)題:什么是微波傳輸線?一文全掌握。

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