微波传输线

时间：2022-10-28 百科知识版权反馈

【摘要】：像上面介绍的同轴线，它的工作频带很宽，低端可从直流开始，无论是低频、中频、高频直至微波，都可以应用。随着微波频率进一步提高，特别是传输功率的大幅度增大，这种情况下，同轴线就显示出它的不足了。指挥家们意识到这一发明的重大战略战术意义后，尽快以磁控管作为新一代雷达发射机中的心脏来设计雷达。

一、微波传输线

在上一章中，已经介绍了适用于微波波段的几种常用的传输线，例如同轴线和波导管，也许大家会提出这样一个问题，那就是为什么普通的两根双线传输线不能传输微波？当微波在其中传输时又会发生什么情况呢？下面就来谈谈这个问题。

大家都知道，日常家用电器例如彩电、冰箱、空调、洗衣机、抽油烟机、微波炉……的电源线都是两根由塑料包裹着的导线构成的（其中一根为带电的火线，另一根为不带电的中线或地线），这是因为家庭中用的是频率为50Hz的工频交流电，这是频率极低的由交流发电机发出的工业用电，我国采用的是220V的单相（家庭用）或380V的三相（工业或实验室用）两种，但频率都是50Hz；而美国等一些国家则采用110V，60Hz的标准。当频率提高到微波波段相应的频率后，仍然采用双线输电就会发生许多在低频时不会发生的情况，它们有：

（1）随着工作频率的提高，功率沿线传输时会产生严重的辐射现象，这时双线传输线就像天线一样，边传输边向横向空间辐射，这样沿纵向的功率就会愈来愈小，因此传输线也就丧失了它应有的功能。

（2）随着工作频率的提高，由于高频电流的集肤效应（又称为趋表效应），沿传输线传输功率或信号时，将产生很大的传输损耗，大大降低了传输效率。

（3）随着工作频率的提高，在传输线周围的介质，包括传输线的绝缘包皮、绝缘支撑物等的介质损耗不断增大，从而增加了信号沿线传输时的衰减，不利于信号的正常传送。

由于这些原因，所以在微波波段，就只好放弃这种在低频时使用得很好的双线传输线了。下面来看一下，在微波波段应采用哪些传输线？

（一）同轴线

为了克服上述的缺点，人们想到的是将图1-1（a）中的双线传输线改为图1-1（b）中的同轴线来传输微波信号。同轴线也是两根互相绝缘的金属导体，只不过是两根不对称的导体而已，其中一根为空心的外导体，另一根则为实心的内导体，并且内外导体是同轴的，同轴线一词即由此而来。这种同轴线不仅可以传输微波，也可传输低频甚至直流信号。同轴线外导体的内径D和内导体的外径d的比值决定了同轴线一个非常重要的参数，即同轴线的特性阻抗，通常它有多种规格，例如根据传输时衰减最小设计的为75Ω和传输功率容量最大等综合设计的为50Ω 等几种。由于用金属制成的同轴线不能弯曲，使用不便，所以人们就根据同一原理制成了一种可以任意弯曲的电缆。只不过这种电缆只有一根芯线，而外导体则由细金属丝编织而成网状圆筒，在内外导体之间填充有低介质损耗的绝缘材料，而且柔软可弯，在外导体外再包裹一层绝缘外套，这样就形成了目前在闭路电视信号分配和传输系统中经常使用的视频电缆，以及在各种微波传输和测试系统中常用的微波电缆了，前者多用75Ω，后者则用50Ω，如图2-1（a）所示。在高功率（百瓦级及更大）传输时，通常采用空气填充而相隔一段长度处设置一个低耗介质垫圈以保证内外导体的同心度，如图2-1（b）所示。考虑到工作频率和传输功率大小的差别，同轴线即使在相同特性阻抗时也存在不同大小的截面尺寸。一般来说，频率越高，同轴线的截面尺寸越小；反之，则越大。例如，在3000MHz时采用D/d为16/6.95 mm的L27（50Ω）同轴线，当频率提高到10 000MHz时，仍采用上述尺寸的同轴线时，就不能保证电磁波能在线中单模传输了。换句话说，如要单模传输10 000MHz的微波，就必须采用截面尺寸较小的同轴线，例如D/d为7/3 mm的L16（50Ω）同轴线，由于截面尺寸的减小，相应的功率容量也就降低了。至于同轴电缆，由于结构和材料上的关系，它只能作为实验室中连接或测试之用，像视频电缆，也只作近距离（数十至一百米左右）传输之用；否则，由于衰减过大将使传输信号损失严重，不利于用户的接收。

图2-1　同轴电缆和同轴线

像上面介绍的同轴线，它的工作频带很宽，低端可从直流开始，无论是低频、中频、高频直至微波，都可以应用。那么，为什么在低频、中频甚至高频时都很少采用同轴线或同轴电缆呢？那是因为在这些频段采用两根双线系统要方便而且便宜得多，因此没有必要采用价格昂贵的同轴线；但在微波波段，双线系统已丧失了传输功能，这时就不得不采用同轴传输系统了。随着微波频率进一步提高，特别是传输功率的大幅度增大，这种情况下，同轴线就显示出它的不足了。怎么办呢？

（二）波导管

其实早在一百多年前就有人从理论上讨论过电磁波在空心金属管中的传播问题，尽管当时还没有发明微波，客观上并无实用需求，但波导理论的超前存在就像麦克斯韦预测电磁波存在的理论一样，后来不是被完全证实了吗？科学技术发展历史过程中的类似例子还有不少，如爱因斯坦的相对论和量子理论，不也是在原子弹发明以前早就预见到了原子中潜藏着巨大的能量吗？麦克斯韦的理论和赫兹的实验证实相隔了二十三个年头，而爱因斯坦的理论和原子弹的制成却整整花去了近四十年的光阴。

在20世纪30年代末，各国科学家相继发明了实用的微波电子管，即磁控管和另一种称为速（度）调（制）管的几种。有了这几种特殊的电子管，就使得微波振荡得以产生和可以放大，微波功率产生了突破性的进展，也使得微波波段这一电磁频谱资源得到了充分的开发。

说来也巧，当时全世界正经历了一场空前的经济大萧条，以后慢慢开始复苏，就在这时，第二次世界大战即将拉开序幕。在欧洲战场，德军正以秋风扫落叶一样快速席卷东欧和法国等地，英国正处在全面封锁和连日遭受轰炸的战争恐怖之中。正是在这样的战争环境下，磁控管就诞生在英国的大学实验室中（也在同一年代，两名前苏联科学家阿列克西耶夫和马良罗夫同时发明了极其类似的多腔磁控管）；而在隔洋的美国，瓦利恩兄弟发明了双腔速调管，这种管子可以放大微波信号。由于磁控管能够产生数十至数百千瓦的脉冲振荡功率，这相对于当时使用的米波雷达来说，无疑是对军方的一针强心剂。指挥家们意识到这一发明的重大战略战术意义后，尽快以磁控管作为新一代雷达发射机中的心脏来设计雷达。这么大的微波功率如何从磁控管传输到天线中去呢？采用同轴线会产生射频击穿，而且同轴线由于内导体的存在，相互连接也存在很多技术问题，于是人们自然而然地想起了早已在理论上证明可以传输微波的波导传输线，这种没有内导体的空心金属管——波导管一经试用，效果非常满意。因此，关于波导的各种理论和实验大力开展，最典型的是美国麻省理工学院（MIT）中的林肯辐射实验室集中了全世界最优秀的科学家2000多人重点开展微波雷达、微波电子管、微波波导和传输、微波天线、微波开关、脉冲电路、调制器、阴极射线显示管（CRT）、伺服电机等环绕和配合雷达技术领域的全面研究工作，取得了惊人的科研成果。在20世纪40年代末，他们把这些科研成果以实验室系列丛书的形式出版了整整28册，堪称一绝！这套称为“雷达丛书”的著作出版一年以后，前苏联将它们全部译成俄文并出版，可见对这一知识宝库的高度重视和评价。

说到这里，人们再次体会到社会、经济、军事等需求对科学技术的促进作用。波导管的实用首先是在雷达技术中取得突破的，在几种截面的波导管中，矩形波导是用得最为普遍的一种。现在来谈谈为什么电磁波能在一根空心的金属管中传输呢？很多人无法想象这究竟是怎么一回事呢？

也许正是人们长期习惯于低频传输线概念的思维模式，总是想到家中的各种电器包括电脑在内，它们不都是用两根线去连接电源的吗？电话机也是用两根连线到插座上去，只不过是将两根线压在一起，从外形上看好像只有一根线，实际上内有两根金属导线，用橡胶或塑料等绝缘体将它们隔开一定距离，防止短路。是的，上述设备确实都是用两根线来传送信号或电源供电用的，那是因为这些信号的频率很低，采用双线非常有效而且便宜！

如果读者家中安装了光纤电视或光纤互联网络的话，这光纤或光缆中实际上就是一根既非导体，也无回路的由极细的玻璃纤维制成的特殊的传输线。当然，这种光纤或光缆在到达你家中以前通过专用的设备早已把光纤中传输的光信号变换成了电信号，因此在你家的插座上已经是视频或其他信号了。在光纤内传输的光信号（光波是一种比微波频率更高的电磁波）就是单线传输的。后来人们知道光纤就像波导一样是电磁波传输的一种导波系统，只是适应于不同的波段而已。因为光波是一种波长更短的电磁波。

大家都知道，低频时人们习惯采用电路的概念来分析问题，例如串联电路和并联电路等，而常用的元件像电阻、电容、电感、变压器、线圈等可以组成各种振荡电路、放大电路、变频电路、检波电路，用电压表、电流表、欧姆表等常用的仪表，就能非常方便地测量出相应电路中的电压、电流和电阻值的大小等，非常直观。

那么当频率高达数百兆赫以上进入微波波段以后，由于这些集总参数的元件已无法继续使用，因此电压、电流等电路概念也无法继续使用；在这种情况下，必须采用电场和磁场的概念来替代低频下的电路分析方法。换句话说，应采用电场代替电压，磁场代替电流来分析波导管中的传输问题，这种场与路的概念转换是至关重要的。如图2-2所示。

图2-2　电路方法与电磁场方法的转换

在波导管中，如果你还想用电压表来试图测量其中的电压值，那肯定是徒劳无功的，因为波导中只有一根空心的金属管，根本找不到独立的相互绝缘的两个待测点；同样，要想在波导中测量电流也是不可能的。由此可见，波导是一种单线传输线，不可能再用电路、电压、电流等概念，而应采用场和阻抗、驻波、功率等新概念。

这里，不准备详细分析电磁波如何能在空心的波导中传播，但应了解到，也不是任何截面尺寸的波导都能传输一定频率的微波信号的。换句话说，对于一定频段的微波信号，都有一定尺寸的波导标准，在表2-1中给出了常用波段的波导管截面尺寸，表中a为矩形波导宽边的大小，b为波导管窄边的高度。

表2-1　各种波导管尺寸和相应的微波频率范围

IEC 为国际电工委员会。

从上表可以清楚地看出，波导管的截面尺寸随着工作频率的提高而相应地缩小。当频率进入到毫米波段时，波导截面尺寸只有数毫米的大小，这样小的波导，加工时的精度和表面光洁度都难以保证；当频率更高时，很难想象比火柴棍还小的波导如何加工？于是就发明了在毫来波段适用的新型传输线，如鳍线、介质波导等。由于本书不介绍毫米波段的微波应用，因此不准备讨论这些新型的毫米波传输线，有兴趣的读者可以找到相应的书籍参考。

为了使读者对波导传输微波有一个浅显的了解，不妨看一看如图2-3所示的传播途径。假设暂且把波导管的顶面和底面拿开，那么就可以清楚地看到电磁波是在波导管的两个平行的侧面间来回反射迂回前进的。从能量的传播速度上来看，由于传播路径的曲折，致使沿着波导轴线方向上的速度减慢了。当然，这一减慢程度取决于电磁波投射角的大小，但其相位速度则不然，因为相位速度是指单位时间内相位的变化速度，如果假设电磁波的传播速度仍然是光速c的话，那么沿着波导轴的方向上相位变化肯定要超过光速c了。从图2-4中可以清楚地看到，当沿着黑线箭头方向的传播速度为c时，沿波导轴线Z向的相速就是由于sinθ＜1，因此v_p＞c；同理，如果沿传播方向上两黑线（波峰或波谷）之间的距离为pn = λ时，即自由空间波长，沿波导轴线Z方向的等相位点之间的距离就称为“波导波长”，即mn = λ_g。于是有，同样由于sinθ＜1，因此λ_g＞λ。显然，当θ = 0°时，λ_g= ∞；而当θ = 90°时，λ_g= λ。这就是说当θ = 0°时，电磁波将在波导两个侧壁之间来回反射，能量无法沿Z向传播，这种物理现象称为波在“横向谐振”，虽然沿Z轴的相速为无穷大，但其能速却为零。有时又把这种状态称为“截止”状态，其相应频率对应的波长则称为“截止波长”，并用λ_c表示。而这一截止波长只与波导的宽边长度a有关，对于最低模式来说，λ_c= 2a，当λ≥λ_c时，波导中波将被截止，无法传播；只有当λ＜λ_c时，才能传播。这是与同轴线中波的传播规律不相同的地方。在同轴线中，不存在截止波长，因而对任何频率的波都能在其中传播。同轴线中没有波导波长这个参数，当然也存在为保证单模传输条件而选择相应的直径D和d的问题，这里不打算细谈了。