大家好，今天接著學(xué)習(xí)傳輸線的相關(guān)知識(shí)。

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

最早的同軸線專利是在1931年，美國(guó)AT&T實(shí)驗(yàn)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(wèn)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(nèi)使用，而且其功率容量和損耗都比較小，尤其在實(shí)驗(yàn)測(cè)試，射頻連接器中應(yīng)用最廣。我們今天一起來(lái)學(xué)習(xí)一下同軸線，看看它的性能為什么如此優(yōu)秀？同時(shí)簡(jiǎn)單學(xué)習(xí)一下其在射頻無(wú)源器件設(shè)計(jì)中的應(yīng)用，比如功分器，濾波器等。

同軸線的結(jié)構(gòu)

圖1給出了同軸電纜的示意圖，同軸線主要有內(nèi)外兩根圓柱導(dǎo)體構(gòu)成，是一種雙導(dǎo)體傳輸系統(tǒng)，分為軟硬兩種結(jié)構(gòu)，硬同軸線一般內(nèi)導(dǎo)體由銅棒或者銅線，外導(dǎo)體是同心的銅管，內(nèi)外導(dǎo)體之間由低損耗介質(zhì)支撐，又稱為同軸波導(dǎo)；軟同軸線的內(nèi)導(dǎo)體一般由一根銅線或者多根銅絲組成，外導(dǎo)體是由細(xì)銅絲編制的圓筒形網(wǎng)構(gòu)成，在外導(dǎo)體網(wǎng)外面有一層橡膠保護(hù)層，以免銅網(wǎng)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(jiǎn)單，我們把同軸線放在圖2所示的坐標(biāo)系下，同軸線的外導(dǎo)體內(nèi)半徑為 b，內(nèi)導(dǎo)體外半徑為 a，同軸線沿 z 軸無(wú)限長(zhǎng)。內(nèi)外導(dǎo)體之間是無(wú)耗介質(zhì)。

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(shù)參量，我們直接把公式放到下面，

假設(shè)同軸線是無(wú)耗傳輸系統(tǒng)，那么它的特征阻抗可以有下面公式確定：

這個(gè)也是同軸線最重要的阻抗公式，希望大家牢記，進(jìn)一步簡(jiǎn)化為：

對(duì)于常用的阻抗50歐姆和75歐姆，分別對(duì)應(yīng)的內(nèi)外徑比為2.303和3.59. 這兩個(gè)值在無(wú)源器件設(shè)計(jì)中經(jīng)常用到。當(dāng)內(nèi)外徑比為3.59時(shí)，同軸線的損耗最小，由此構(gòu)成的諧振腔的Q0也最高。

圖3 同軸線TEM模場(chǎng)分布

同軸線的場(chǎng)分布也是必須掌握的一個(gè)，圖3 給出了同軸線TEM模的場(chǎng)分布圖。電場(chǎng)優(yōu)內(nèi)導(dǎo)體指向外導(dǎo)體均勻，而磁場(chǎng)環(huán)繞內(nèi)導(dǎo)體分布，越靠近內(nèi)導(dǎo)體表面，磁場(chǎng)越強(qiáng)，內(nèi)導(dǎo)體表面電流密度要比外導(dǎo)體表面電流密度強(qiáng)的多，所以同軸線的損耗主要發(fā)生在內(nèi)導(dǎo)體表面上，因此對(duì)內(nèi)導(dǎo)體表面的導(dǎo)電率要求也越高。根據(jù)同軸線的磁場(chǎng)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(guò)在同軸線外導(dǎo)體上開(kāi)縱向槽制作同軸駐波測(cè)量線用來(lái)測(cè)量同軸線的駐波系數(shù)。也可以通過(guò)切斷同軸線外導(dǎo)體表面的電流線形成電磁波的輻射和接收，來(lái)制作泄露電纜用于地鐵或者隧道的移動(dòng)通信。

圖4 同軸泄露電纜

同軸線的高次模

當(dāng)同軸線的橫截面尺寸可與工作波長(zhǎng)相比擬時(shí)，就會(huì)產(chǎn)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(zhǎng)分布圖。截止波長(zhǎng)在波導(dǎo)的分析中會(huì)用到，也就是說(shuō)，當(dāng)波長(zhǎng)大于截止波長(zhǎng)時(shí)，這個(gè)模式的波不會(huì)傳播，不同的模式的截止波長(zhǎng)不同，如果要想單純的傳輸TEM模，只需要使得截止波長(zhǎng)最長(zhǎng)的模式抑制掉就可以，在同軸線中，TE11模是截止波長(zhǎng)最長(zhǎng)的高次模。只需要把TE11模處于截至狀態(tài)即可。

也就是TEM模的波長(zhǎng)要大于TE11模的截止波長(zhǎng)，即：

或者選擇同軸線尺寸使其滿足：

對(duì)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(guān)性能，大家可以關(guān)注一下工作頻率范圍和內(nèi)外徑尺寸的關(guān)系。

很少有人會(huì)用到同軸線的高次模，在絕大多數(shù)情況下，高次模對(duì)設(shè)計(jì)者來(lái)說(shuō)是一個(gè)很煩人的東西，下圖是同軸線中三個(gè)較低高次模的場(chǎng)分布圖。萬(wàn)一哪天用得到呢？

審核編輯 ：李倩