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微波传输线简介

射频学堂 来源:射频学堂 2023-05-22 10:37 次阅读

微波传输线是微波工程的基础,今天我们再来详细学习一下微波传输线的基础知识。目前常用的微波传输线包括平行双线,同轴线,金属波导,介质波导,微带线,共面波导,基片集成波导等多种传输线形式,每一种传输线都有其适用范围。

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各种形式的微波传输线

如上图所示,微波传输线的形式多种多样,不同的结构应用场景也各有不同。我们下面一一介绍。

平行双线

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有两根平行的导体组成,可以用来传出低频电磁波,例如在短波波段。但是由于平行双线的结构是敞开的,辐射损耗随着电磁波频率的升高而增大。

平行双线的电磁场分布如下图所示:

wKgZomRq1WWAWNUuAAA-FztfxXI698.png

其特性阻抗与平行双线的间距和导体的直径相关:

wKgaomRq1WWAJxX9AAALGDRrhuM109.png

平行双线传输的是TEM波,在现在射频设计中的应用很少,主要原因是在当频率升高时,尤其是当平行双线之间的距离与电磁波波长相当时,电磁波能量的辐射损耗会比较严重,但是减小平行双线的距离,会减小击穿电压,从而降低功率容量。

wKgaomRq1WaAd9_9AAXTbzGeX_M688.png

当前,平行双线多用于短波通信或者中波通信从发射机到天线的天馈线中,应用也比较少。

同轴线(链接)

wKgZomRq1WWAZYEgAACkX2qowW4083.png

同轴线有内外导体组成,电磁波在内外导体之间传输,外导体对电磁波具有屏蔽左右,因而可以减少辐射损耗。但是随着电磁波频率的升高,趋肤效应加重,流经导体的电流越来越集中在导体表面,这相当于叫嚣了导体的横截面,增大了电阻,从而使导体损耗增加。此外,由于同轴线的内导体需要介质来支撑,而介质损耗随着频率的升高而增加。

wKgZomRq1WaAerK6AABcK4_eq-M267.png

同轴线的主要工作模式是TEM模,工作频段可从直流一直到毫米波频段,具有宽频段特征,其TEM模电磁场分布如下:

wKgaomRq1WaAchN9AABjwGYgaGQ895.png

同轴线单位长度的分布电感/电容和电阻参数如下:

wKgZomRq1WaAbNqvAABsVnqbsC8324.png

同轴线传输的也是TEM波,传播方向是轴线的方向。同轴线的特性阻抗,波速和波长参数如下:

wKgaomRq1WaAe3-sAACH1kbqeu4232.png

当同轴线的横截面与波长相比拟时,同轴线内将出现高次模。因此,要使得同轴线工作在TEM模式,其结构尺寸需要满足:

wKgaomRq1WaAZGnoAAAf-ZJMTRU966.png

同轴线是一种宽频带传输线,其工作频率可以达到100G以上,注意,工作频率越高,其结构尺寸越小。同轴线广泛应用于各种通信系统,微波系统中。

金属波导

介质波导滤波器基础之矩形波导传输线和矩形波导谐振腔

通常是指空心的金属管构成,根据金属管横截面的形状,可分为矩形波导和圆波导。金属波导具有损耗低,功率容量大等优点,因此多用在传输大功率信号上。

wKgZomRq1WaAPqXoAAAtTmo0mxI390.png

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波导内的场分布如下:

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介质波导 (链接)

是由介质构成的非封闭式微波传输线。介质波导工作时,电磁波沿着介质波导在戒指内部和表面附近区域进行传输。介质波导传输的电磁波在介质外沿横向方向随离开介质表面距离的增加指数衰减,这种波被称为表面波。因此介质波导也成为表面波波导。

介质波导有多种结构形式,有介质板,介质覆导体板,介质杆,土介质单导线,介质镜像线,H型波导和O型波导等。如下图所示:

wKgaomRq1WaAeQCFAACNw-1Piuo459.png

介质波导的原理是在高介电常数介质表面具有完全反射电磁波的特性,因此如同在金属波导中一样,电磁波能量也被限制在高介电常数介质内部。

微带线(链接)

是由沉积在介质基片上的金属导体线和接地板构成的传输线,其基本结构有对称微带线和不对称微带线两种,如下图所示

wKgZomRq1WaANXRTAABzQSQEAec151.png

微带线具有体积小,重量轻,频带宽,可集成化等优点,同时它的缺点是损耗大,Q值低,功率容量第。

微带线的工作模式是准TEM模,微带线的演变过程如下图

wKgaomRq1WaAMybtAAD27korpAU695.png

wKgZomRq1WaAZbY5AAEcI7huUV4553.png

由于微带线的介质板的介电常数比较高,电场主要集中在金属导体线和接地板之间的介质区域内,所以微带线的辐射损耗并不大,同时可通过加屏蔽罩的方式进一步较小辐射损耗。

共面波导(链接)

它的结构类似于微带线,是在微带线的金属导线两侧加上接地板,而在介质基片的地面没有接地板,如下图所示:

wKgaomRq1WaAI3kwAABY2F-b_VY767.png

为了使电磁场能够更加集中在中心导体带条和接地板所在的窘其与介质交接处,应采用高介电常数的材料作为介质基片。共面波导的传输模也是准TEM模。

共面波导作为一种性能优越、加工方便的微波平面传输线,在MMIC电路中正发挥越来越大的作用,尤其到了毫米波频段,共面波导更拥有微带线所不可比拟的性能优势。与常规的微带传输线相比,共面波导具有容易制作,容易实现无源、有源器件在微波电路中的串联和并联(不需要在基片上穿孔),容易提高电路密度等优点。与对称共面波导相比,非对称共面波导与两端器件相联时,具有更大的灵活性。

基片集成波导 SIW (链接)

传统的矩形波导具有低损耗,高Q值,功率容量大等优点,在微波电路中得到了广泛的应用,但是矩形波导很难与微波,毫米波电路集成。基片集成波导在上下敷金属板的介质基片上插入两排金属短路过孔而形成的,结构如下图所示:

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审核编辑:汤梓红

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原文标题:微波传输线简介

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