微波技术 第三章 TEM波传输波.doc

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1、第三章TEM波传输波低频传输线由于工作波长很长，一般都属“短线”范围，分布参数效应均被忽略，它们在电路中只起连接线的作用。因此在低频电路中不必要对传输线问题加以专门研究。当频率达到微波波段以上，正象我们在上章所述那样，分布参数效应已不可忽视了，这时的传输线不仅起连接线能量或信息由一处传至另一处的作用，还可以构成微波元器件。同时，随着频率的升高，所用传输线的种类也不同。但不论哪种微波传输线都有一些基本要求，它们是：（1）损耗要小。这不仅能提高传输效率，还能使系统工作稳定。（2）结构尺寸要合理，使传输线功率

2、容量尽可能地大。（3）工作频带宽。即保证信号无畸变地传输的频带尽量宽。（4）尺寸尽量小且均匀，结构简单易于加工，拆装方便。假如传输线呼处的横向尺寸、导体材料及介质特性都是相同的，这种传输线就称为均匀传输线，反之则为非均匀传输线。均匀传输线的种类很多。作为微波传输线有平行双线、同轴线、波导、带状线以及微带等等不同形式。本章将对几种常用的TEM波传输线作系统论述。§3-1双线传输线所谓双线传输线是由两根平行而且相同的导体构成的传输系统。导体横截面是圆形，直径为d，两根导体中心间距为D，如图3-1-1所示。图

3、3-1-1平行双线传输线 一、电磁场分布关于双线上的电压、电流分布规律，已在前章详细讨论过。本章将给出沿线电场和磁场的分布。电磁波在自由空间是由自由自在地传播着，电、磁场在时间上保持同相位，而在空间上是相互交并垂直于传播方向，如图3-1-2所示。若电磁波沿传输线传播，就要受到传输线的限制和约束。在双线传输线上流有交变的高频电流，因而导线上积累有瞬变的正负电荷。线上电磁场可用下式表示（向+z方向传播的行波）(3-1-1)图3-1-2自由空间电磁波的传播 (3-1-2)式中，、分别代表电、磁场的振幅值，它们

4、的相互关系是(3-1-3)称为波阻抗。电场从一根导线的正电荷出发落到另一导线的负电荷上，电场是由线上的正负电荷支持，电力线不是封闭线。磁场则是靠电流来支持，磁力线是围绕着电流的一圈圈的封闭线。电场与磁场在空间处处正交，它们之间不是孤立的，是由麦克斯韦方程组联系起来的。磁场分布并不是到处均匀，而是双导体之间强，两侧弱。双线传输线上的电磁场分布情况示于图3-1-3中。图中电场和磁场皆分布在一个平面（垂直于传输方向的横截面）上，同一平面上的电场和磁场是同一个时刻由信号源发出的，即在时间上是同相位的；在空间上则

5、是彼此正交的。电场和磁场都不存在纵向（轴向）分量。图3-1-3双线上的电磁场分布 二、特性阻抗根据前章讨论可知，利用表2-1-1和式（2-2-25），可求得双线传输线的特性阻抗为(3-1-4)若双导线周围介质为空气，则只须将代入上式即可。双线的特性阻抗一般为250~700Ω，常用的是250、300、400和600Ω几种。三、传输特性由式（2-2-26）可知，传输线上波的传播常数，就是说在一般情况下是一个复数。若线路损耗可忽略不计，即，则，于是(3-1-5)若计及线路损耗，则需要分别按式（2-2-28a）

6、、（2-2-28b）求出、。由电磁理论知，双导线单位长度的表面电阻为(3-1-6)将上式代入式（2-2-28a）可求得双线的导体衰减常数(3-1-7)式中，、分别为导体的导电率和导磁率。由表2-1-1查得双线的代入式（2-2-28b）可求得介质衰减常数(3-1-8)式中，为导体间填充介质不理想时的漏电电导率，为介质中波长，为介质极化损耗角正切。于是双导线总的衰减常数为(3-1-9)至于相移常数，当、，即损耗不大时，仍可利用式（3-1-5）计算，即。平行双线是最简单的一种传输线，但它裸露在外，当频率升高时

7、，将出现一系列缺点，使之失去实用价值。这些缺点是：（1）趋肤效应显著由于电流趋肤深度与频率的平方根成正比，因而随频率增高，趋肤深度减小，电流分布愈集中于表面，于是电流流过导体的有效面积减小，使得导线中的热损耗增大。（2）支撑物损耗增加在结构上为保证双导线的相对位置不变，需用介质或金属绝缘子做支架，这就引起介质损耗或附加的热损耗。由式（3-1-8）可见，与成正比，即随频率的升高，介质损耗将随之增大。（3）辐射损耗增加双导线裸露在空间，随着频率的升高，电磁波将向四周辐射，形成辐射损耗。这种损耗也随频率的升高

8、而增加。当波长与线的横向尺寸差不多时，双线基本上变成了辐射器，此时双线已不能再传输能量了。上面提到的金属绝缘子是用来做支架的终端短路线，如图3-1-4所示。此时由主传输线向“支架”看进去的输入阻抗很大（理想情况为无限大），因此，它对于传输线上的电压和电流分布几乎没影响。它相当于一个绝缘子，因它是金属材料做成的，故称其为金属绝缘子。图3-1-4短路线支架 既然双线上传输的是TEM波，故又称其为无色散波传输线。其截止频率（截止波长）。§3-2同