大家好，今天接著學(xué)習(xí)傳輸線的相關(guān)知識。

在《微波傳輸線的發(fā)展》中我們簡要介紹了常見微波傳輸線的發(fā)展史，從最開始的平行雙線，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，又進一步發(fā)展除了基片集成波導(dǎo)。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(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(nèi)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(yīng)用最廣。我們今天一起來學(xué)習(xí)一下同軸線，看看它的性能為什么如此優(yōu)秀？同時簡單學(xué)習(xí)一下其在射頻無源器件設(shè)計中的應(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 軸無限長。內(nèi)外導(dǎo)體之間是無耗介質(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(yīng)的內(nèi)外徑比為2.303和3.59. 這兩個值在無源器件設(shè)計中經(jīng)常用到。當(dāng)內(nèi)外徑比為3.59時，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(yōu)內(nèi)導(dǎo)體指向外導(dǎo)體均勻，而磁場環(huán)繞內(nèi)導(dǎo)體分布，越靠近內(nèi)導(dǎo)體表面，磁場越強，內(nèi)導(dǎo)體表面電流密度要比外導(dǎo)體表面電流密度強的多，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(dǎo)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(shù)。也可以通過切斷同軸線外導(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(dāng)同軸線的橫截面尺寸可與工作波長相比擬時，就會產(chǎn)生高次模TE和TM模。下圖給出了同軸線中TM模和TE模的截止波長分布圖。截止波長在波導(dǎo)的分析中會用到，也就是說，當(dāng)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(tài)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(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。

很少有人會用到同軸線的高次模，在絕大多數(shù)情況下，高次模對設(shè)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