第一章 传输线理论.

认识传输线
一、传输线的基本概念
1、定义
传输线:是用来引导传输电磁波能量和信息的装置，例如：
信号从发射机到天线或从天线到接收机的传送都是由传输线来 完成的。(或凡是用来把电磁能从电路的一端送到电路的另一端 的设备统称为传输线)。如图所示。
2 、对传输线的基本要求
（1）传输损耗要小，传输效率要高； （2）工作频带要宽，以增加传输信息容量和保证信号 的无畸变传输； （3）在大功率系统中，要求传输功率容量要大； （4）尺寸要小，重量要轻，以及能便于生产和安装。 ( 为了满足上述要求，在不同的工作条件下，需采用不同 型式的传输线。在低频时 , 普通的双根导线就可以完成传 输作用,但是,随着工作频率的升高,由于导线的趋肤效应和 辐射效应的增大使它的正常工作被破坏 .因此,在高频和微 波波段必须采用与低频时完全不同的传输线形式)
f
10 10
则几厘米的传输线就应视为长线；
c 3 108 当 f 50Hz 时， 则 6000 千米，即使长为几 f 50 百米长的线却仍是短线。
2、 结论
在微波频率时，传输线的分布参数效应不能被
忽略，而认为传输线的各部分都存在有电感、电容、
电阻和电导，也就是说，这时传输线和阻抗元件已
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1、同轴线的结构
同轴线的结构，由外向内依次是护套、外导体（屏蔽层）、绝缘介质和 内导体4部分。下面我们就分别介绍一下每一部分的作用。 护套，即最外面是一层绝缘层，起保护作用，室外电缆宜用具有优良气 候特性的黑色聚乙烯，室内用户电缆从美观考虑则宜采用浅色的聚乙烯。 外导体（屏蔽层），同轴电缆的外导体有双重作用，它既作为传输回路 的一根导线，传输低电平，又具有屏蔽作用，外导体通常有3种结构。 （1）金属管状。这种结构采用铜或铝带纵包焊接，或者是无缝铜管挤包 拉延而成，这种结构形式的屏蔽性能最好，但柔软性差，常用于干线电缆。 （2）铝塑料复合带纵包搭接。这种结构有较好的屏蔽作用，且制造成本 低，但由于外导体是带纵缝的圆管，电磁波会从缝隙处穿出而泄漏，应慎重 使用。 （3）编织网与铝塑复合带纵包组合。这是从单一编织网结构发展而来的， 它具有柔软性好、重量轻和接头可靠等特点，实验证明，采用合理的复合结 构，对屏蔽性能有很大的提高，目前这种结构形式被大量使用。
融为一体，它们构成的是分布参数电路，即在传输 线上处处有贮能、处处有损耗。也正是如此，在微 波下，传输线的作用除传输信号外还可用于构成各 种微波电路元件。
3、传输线的分布参数及其等效电路
（1）分布参数:
当高频信号通过传输线时，将产生如下分布参数效应： （ a ）由于电流流过导线，而构成导线的导体为非理想的 ，所以导线就会发热，这表明导线本身具有分布电阻；（单位 长度传输线上的分布电阻用 R1 表示。） （ b ）由于导线间绝缘不完善（即介质不理想）而存在漏 电流，这表明导线间处处有分布电导；（单位长度分布电导用 表示 G1 。） （ c ）由于导线中通过电流，其周围就有磁场，因而导线 上存在分布电感的效应；(单位长度分布电感用L1 表示。) （ d ）由于导线间有电压，导线间便有电场，于是导线间 存在分布电容的效应；(单位长度分布电容 C1 用表示。) R1为单位长度损耗电阻；G1为单位长度损耗电导；L1为单 位长度电感，简称分布电感；C1为单位长度电容，简称分布 电容。当 R1=0、G1=0时称为无耗传输线。
（1） 横电磁波（TEM波）传输线，如双导线、同轴 线、带状线等。常用波段米波、分米波、厘米波。
(a)平行双导线
（b）同轴线
（c）带状线
（2）波导传输线（TE和TM波），如矩形、圆形、脊形
和椭圆形波导等。厘米波、豪米波低端。
（a）矩形波导 （b）圆形波导 （c）脊形波导
（3）表面波传输线：如介质波导、介质镜像线、单根
第1章 传输线理论
2014.3
内容简介

1.1 认识传输线
1.2 同轴线
1.3 同轴电缆


1.4 微带线
1.5 双线传输线
传输线理论
射频识别（ Ratio Frequency Identication ， RFI D ），是 20 世纪 80 年代发展起来的一种自动识别技 术， RFID 利用射频信号的空间耦合实现无接触信息 传输并通过所传输的信息进行目标识别。射频识别 包括射频（ RF ）与识别（ ID ）两个部分。其中“射 频”部分主要指电子标签和读写器中的射频电路即 射频前端和天线，是实现射频识别的基础。 本章将引入射频电路中的基本概念 —— 传输线， 并对其做简单的介绍。
1、长线效应
设传输线的几何长度为 l，其上工作波长为 。（下面定义 几个参数） 电长度： 一般称 l 为传输线的电长度（电刻度）。 长线： 一般认为电长度 l 0.1 (或0.05)的传输线是 长线。（相应地 l 比 小的多的传输线就是短线。）。 在微波下工作的传输线，其几何长度与它的工作波长相比 较， l 比 还长或者两者可以相比拟，也就是说一般在微波波段 满足长线这个条件。 注意：长线是一个相对的概念，它指的是电长度而不是几 何长度。 c 3 108 例如：当 f 10GHz 时， 米＝3厘米， 0 . 03 9
线等。其传输模式一般为混合波型。适用于毫米波。
（a）介质波导
（b）镜像线
（c）单根表面波传输线
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长线的含义 传输线是传输电磁能量的一种装置，在低频电路中的导线属 于传输线的一种特例。低频传输线中（导线），电流几乎均匀分 布在导线内部。随着工作频率的升高，波长不断减小，电流集中 在导体表面，内部几乎没有能量传输。传输线上的电压和电流随 着空间位置的不同而变化，电流和电压呈现出波动性。我们引入 长线的概念来区分它们。 长线是指传输线的几何长度和线上传输电磁波的波长的比值 （即电长度）大于或接近于 1；反之，则称为短线。可见二者是 相对概念，取决于传输线的电长度而不是几何长度。 在射频电路中，传输线的几何长度有时只有几厘米，但是因 为这个长度已经大于工作波长或与工作波长差不多，仍称为长线； 而输送市电的电力线，即使几何长度为几千米，单与市电的波长 （如6000km）相比，还是小得多，所以将其视为短线。
一般来讲，5mm粗的家用，100m问题不大。
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（3）使用限期，任何电缆都有一定的寿命，电缆在使用一 段时间后，由于材料老化，导体电阻变大，绝缘介质的漏电流 增加，当电缆的衰减常数比标称值增加 10[%]-15[%] 时，该电 缆就应该更新，一般电缆的寿命根据质量和使用场合的不同在 7-20年。 （4）屏蔽特性，屏蔽特性是衡量同轴电缆抗干扰能力的一 个参数，也是衡量同轴电缆防泄漏的一个重要参数。如果电缆 屏蔽不好，传输信号不仅会受到外来杂波的串扰，影响有线电 视信号质量，也会泄漏出去干扰其他信号，为非有线电视用户 所接收，严重影响有线电视的正常入户，收到邻居的有线信号 就是这个原因。
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（5）温度系数，温度系数表示温度变化对电缆特 性的影响程度，温度升高，电缆的损耗增加，温度降 低，电缆的损耗减少。电缆衰减值的温度变化量大约 为0.2[%]dB/℃，表明电缆衰减在原基础上变化0.2[%]， 若温度变化为±25℃，则电缆的衰减量变化±5[%]dB 。 另外，同轴电缆的衰减量随频率的不同是存在斜度的， 温度的变化不仅会引起衰减量的变化，而且会引起斜 度的变化。在实际工作中，消除温度变化对系统影响 的措施是采用温度补偿型放大器、自动增益控制放大 器和自动斜率控制放大器。家庭使用，这方面基本不 需要考虑。
TEM波模型如图1-1所示，电场（E）与磁场（ H ）与 电磁波传播方向（V）垂直。TEM传输线上电磁波的传播 速度与频率无关。本课程中射频电路只涉及TEM传输线。
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3、传输线分类
TEM传输线有很多种类，常用的有双线传输线、同轴线、 带状线和微带线（传输准TEM波），用来传输TEM波的传输 线一般由两个（或两个以上）导体组成。
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随着信息系统工作频率的提高和高速数字电路的发展，必 须考虑传输距离对信号幅度相位（ 频域）和波形时延（ 时域） 的影响。本章从电路的观点出发，将传输线看作分布参数电路， 与下一章导波理论相比较，传输线理论不考虑具体传输线的结构 和横向纵向的场分布，只关心电压电流或等效电压电流沿传输线 的变化。相对于场的理论而言，传输线是一种简化的模型，它不 包括横向（ 垂直于传输线的截面）场分布的信息，却保留了纵 向（ 沿传输线方向）波动现象的主要特征。对于许多微波工程 中各种器件部件，采用这种简化的模型进行分析计算仍然是非常 有效的和简洁的。在频域，我们所关心的是稳态解，应用入射波 、反射波、幅度、相位等概念来描述线上的工作状态；在时域， 我们所关心的是瞬态解，应用入射波、反射波、时延、瞬态波形 等概念来描述线上的工作状态。传统的传输线理论注重频域稳态 解。在实际工作中，由于高速数字电路的飞速发展，传输线上时 域信号的瞬态解正日益引起人们的关注和研究。
同轴最早是美国用在军事上，美国军标中的RG-59（75Ω）、RG-58（50Ω）、RG-213（50Ω 是我们常用到的。
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3、同轴线的特征
（1）特性阻抗，同轴电缆的主体是由内、外两导体构成的，对于导体中
流动的电流存在着电阻与电感，对导体间的电压存在着电导与电容，这些特 性是沿线路分布的，称为分布常数，由于在制造中尺寸精度和介质材料纯度
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2、同轴线的类型
按照同轴线应用的位置，大致可以分为3种类型： 1、干线电缆：其绝缘外径一般为9mm以上的粗电缆，要求损耗小，柔软性 要求不高。上海卫星电视安装网 2、支线电缆：其绝缘外径一般为7mm以上的中粗电缆，要求损耗小， 同时 也要一定的柔软性。 3、用户分配网电缆：其绝缘外径一般为5mm，损耗要求不是主要的，但要 求良好的柔软性和室内统一直协调性。 在具体应用的时候，如果布线长度过长而导致信号衰减严重的话，选择粗一 点的同轴线是个不错的主意。 从同轴电缆的型号大致看出其结构类型，下面给出我国电缆的统一型号编制 方法以及代号含义，供大家参考。同轴电缆的命名通常由4部分组成。 国标后面的第一个数字是，特性阻抗，特性阻抗是结构决定的，与导体电阻 无关，可以理解为线缆无限长时的阻抗，常用的是75Ω、50Ω、93Ω。 第二个数字是，外金属的内径，数字越大表明越粗，为了保证稳定的特征阻 抗，内导体也会相应的的变粗。 第三个数字是序号，各序号之间的差异要看厂家的说明，没的构成 从传输模式上看，传输线上传输的电磁波可以分为三种 类型。 （1） TEM波（横电磁波）：电场和磁场都与电磁场传播 方向垂直。 （2）TE波（横电波）：电场与电磁场传播方向垂直，传 播方向上只有磁场分量。 （3）TM波（横磁波）：磁场与电磁波传播方向垂直，传 播方向只有电场分量。