射頻工程師必備知識-同軸線

“ 在前面的學(xué)習(xí)中，我們學(xué)習(xí)了微波傳輸線的基本知識，了解到了傳輸線的種類及其工作模式。今天我們接著學(xué)習(xí)傳輸線的相關(guān)知識，今天重點學(xué)習(xí)對象是同軸線?！?/p>

同軸線是微波射頻工程中最常用的一種傳輸線，英文名字叫做 Coaxial Line. 顧名思義，同軸線是由共軸線的實心圓柱導(dǎo)體和空心圓柱金屬管構(gòu)成的雙導(dǎo)體傳輸線。常見的同軸線有兩種 類型，一種是由絕緣墊圈支撐內(nèi)外導(dǎo)體的硬同軸線；另一種是內(nèi)外導(dǎo)體之間為軟絕緣介質(zhì)支撐的軟同軸線，又叫做同軸電纜。硬同住線的內(nèi)外導(dǎo)體直接填充的介質(zhì)一般為空氣，其間每隔一段距離設(shè)置一個高頻介質(zhì)支撐，以保證同軸線的共軸性以及絕緣。軟同軸電纜內(nèi)導(dǎo)體為單根或者多根交合銅線編織而成，內(nèi)外導(dǎo)體之間填充軟的高頻介質(zhì)支撐。

同軸線既可以傳輸無色散的 TEM 波，又可以傳輸色散的 TE 波和 TM 波。TEM 模是同軸線的主模，而 TE/TM 為同軸線的高次模。根據(jù) TEM 模的特性可知，同軸線具有寬頻特性，可以從直流一直工作到毫米波波段，甚至更高。因此，無論是在微波系統(tǒng)，還是微波元器件中，同軸傳輸線都得到了廣泛的應(yīng)用。

01
同軸線的模式

1.1 同軸線的主?！猅EM 模

TEM 模是指電場和磁場都和電磁波的傳播方向垂直，即在傳輸方向上既沒有電場分量，也沒有磁場分量。TEM 模作為同軸傳輸線的主模，其在同軸線橫截面上的電磁場分布如下：

根據(jù)分布參數(shù)理論，我們可以建立同軸傳輸線的分布參數(shù)模型，其在單位長度上的分布電阻，分布電感，分布電容和分布漏電導(dǎo)分別為：

同軸傳輸線的特性阻抗為：

上式中 b 為同軸線外導(dǎo)體內(nèi)半徑，a 為內(nèi)導(dǎo)體外半徑。

同軸傳輸線中 TEM 波的相位常數(shù)，相波長，相速和群速四個基本參數(shù)分別為：

lambda0、c 分別為真空中的波長和光速。

1.2 同軸線的高次?！猅E/TM

同軸線的高次模為 TE 模和 TM 模。其分析方法可參照圓波導(dǎo)的分析方法，此處省略一堆公式。

其高次模的介質(zhì)波長為：

因此，為使得同軸線中只傳輸 TEM 波，則必須滿足下面公式：

上式稱為同軸線的單模傳輸條件，Lambdamin 是工作頻段內(nèi)的最小截止波長。

02
同軸線的功率容量和損耗

2.1 功率容量

在行波狀態(tài)下，同軸線傳輸 TEM 模的平均傳輸功率為：

若同軸線的擊穿電壓為 Vb，則同軸線的功率容量可表示為：

若擊穿電壓 Vb 所對應(yīng)的擊穿電場強度為 Eb，則可得出：

進(jìn)而推導(dǎo)出，同軸傳輸線的功率容量為：

對于 50-16 型硬同軸線，b=8mm，a=3.475mm,Er=1，Eb=30kV/cm，可算出該同軸線的功率容量為 Pb=766kW。

2.2 損耗
對于內(nèi)部填充空氣的硬同軸線來說，其損耗主要來自于內(nèi)外導(dǎo)體的導(dǎo)體損耗。

式中，Rs 為金屬的表面電阻

對于軟同軸線，其損耗除了上面所介紹的金屬損耗外，還有介質(zhì)損耗：

上式中第 1 個因子與頻率 f 成正比，損耗角正切也隨頻率升高而增加，故介質(zhì)損耗隨頻率而升高。

03
同軸線的設(shè)計原則

設(shè)計同軸線時，主要是選擇合理的內(nèi)外半徑尺寸，其原則是：保證在給定的工作頻率內(nèi)之傳輸 TEM 波；滿足功率容量要求；損耗小。

1，為保證只傳輸 TEM 模，波長與同軸線內(nèi)外半徑比必須滿足：

2，同軸線的功率容量盡可能大，同軸線的功率容量與內(nèi)外導(dǎo)體半徑相關(guān)。

此時的半徑比為 b/a=1.649，對應(yīng)的特性阻抗為 30 Ohm

3，損耗小，對應(yīng)的內(nèi)外半徑比為 b/a=3.591，此時的特性阻抗為 76 Ohm。

4，損耗和功率容量兩者折中取特性阻抗為 50Ohm 的通州傳輸線，此時的內(nèi)外半徑比為 b/a=2.303.

審核編輯 黃昊宇