一种新型的微波传输线——同轴线

大家好，今天接着学习传输线的相关知识。

在《微波传输线的发展》中我们简要介绍了常见微波传输线的发展史，从最开始的平行双线，到同轴线，再到波导，再到带状线/微带线，到共面波导，再到SIW。传输线的发展和通信的需求密切相关，随着频率的升高，双线的性能已经远不能满足通信的需求，所以工程师们发展了封闭的同轴线和金属波导，随着集成化的需求，又发展出了带状线和微带线以及共面波导，在毫米波的需求下，又进一步发展除了基片集成波导。每一种传输线都有其独特的性能和使用范围。但是要说哪一种传输线应用最广，应该是非同轴线莫属。

最早的同轴线专利是在1931年，美国AT&T实验室的Lloyd Espenschied 和 Herman Affel 提出了一种新型的微波传输线——同轴线，完美解决了平行双线的高频泄露问题。专利部分截图如下：

同轴线是一种TEM传输线，能够在很宽的频带内使用，而且其功率容量和损耗都比较小，尤其在实验测试，射频连接器中应用最广。我们今天一起来学习一下同轴线，看看它的性能为什么如此优秀？同时简单学习一下其在射频无源器件设计中的应用，比如功分器，滤波器等。

同轴线的结构

图1给出了同轴电缆的示意图，同轴线主要有内外两根圆柱导体构成，是一种双导体传输系统，分为软硬两种结构，硬同轴线一般内导体由铜棒或者铜线，外导体是同心的铜管，内外导体之间由低损耗介质支撑，又称为同轴波导；软同轴线的内导体一般由一根铜线或者多根铜丝组成，外导体是由细铜丝编制的圆筒形网构成，在外导体网外面有一层橡胶保护层，以免铜网损坏，这种同轴线又叫做同轴电缆。

图1， 同轴电缆示意图

同轴线的主模是TEM模，高次模是TE和TM模，我们一起分析一下同轴线的主模，高次模，传输功率和损耗。

同轴线的模式分析

为了分析简单，我们把同轴线放在图2所示的坐标系下，同轴线的外导体内半径为 b，内导体外半径为 a，同轴线沿 z 轴 无限长。内外导体之间是无耗介质。

图2， 同轴线示意图

在《微波工程》第二章中分析了同轴线的分布参数参量，我们直接把公式放到下面，

假设同轴线是无耗传输系统，那么它的特征阻抗可以有下面公式确定：

这个也是同轴线最重要的阻抗公式，希望大家牢记，进一步简化为：

对于常用的阻抗50欧姆和75欧姆，分别对应的内外径比为2.303和3.59. 这两个值在无源器件设计中经常用到。当内外径比为3.59时，同轴线的损耗最小，由此构成的谐振腔的Q0也最高。

图3 同轴线TEM模场分布

同轴线的场分布也是必须掌握的一个，图3 给出了同轴线TEM模的场分布图。电场优内导体指向外导体均匀，而磁场环绕内导体分布，越靠近内导体表面，磁场越强，内导体表面电流密度要比外导体表面电流密度强的多，所以同轴线的损耗主要发生在内导体表面上，因此对内导体表面的导电率要求也越高。根据同轴线的磁场分布，可以看出，同轴线TEM模的壁面电流沿着同轴线的轴向分布，工程上可以通过在同轴线外导体上开纵向槽制作同轴驻波测量线用来测量同轴线的驻波系数。也可以通过切断同轴线外导体表面的电流线形成电磁波的辐射和接收，来制作泄露电缆用于地铁或者隧道的移动通信。

图4 同轴泄露电缆

同轴线的高次模

当同轴线的横截面尺寸可与工作波长相比拟时，就会产生高次模TE和TM模。下图给出了同轴线中TM模和TE模的截止波长分布图。截止波长在波导的分析中会用到，也就是说，当波长大于截止波长时，这个模式的波不会传播，不同的模式的截止波长不同，如果要想单纯的传输TEM模，只需要使得截止波长最长的模式抑制掉就可以，在同轴线中，TE11模是截止波长最长的高次模。只需要把TE11模处于截至状态即可。

也就是TEM模的波长要大于TE11模的截止波长，即：

或者选择同轴线尺寸使其满足：

对于特征阻抗为50欧姆的同轴线，b=2.303a，也就是

这也是为什么，同轴线的工作频率越高，其横截面越小的原因。下表给出了常用射频连接器的相关性能，大家可以关注一下工作频率范围和内外径尺寸的关系。

很少有人会用到同轴线的高次模，在绝大多数情况下，高次模对设计者来说是一个很烦人的东西，下图是同轴线中三个较低高次模的场分布图。万一哪天用得到呢？

审核编辑 ：李倩