“ 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
-
射頻
+關(guān)注
關(guān)注
104文章
5514瀏覽量
167337 -
同軸線
+關(guān)注
關(guān)注
1文章
28瀏覽量
10609
發(fā)布評論請先 登錄
相關(guān)推薦
評論