1.1 认识传输线

1.1.1 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。导线属于低频传输线，在低频传输线中，电流几乎均匀地分布在导线内部。随着工作频率的升高，波长不断减小，电流集中在导体表面，导体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不同而变化，电压和电流呈现出波动性。下面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，长线和短线是相对的概念，取决于传输线的电长度而不是它的几何长度。在射频电路中，传输线的几何长度有时只不过几厘米，但因为这个长度已经大于工作波长或与工作波长差不多，仍称它为长线；而输送市电的电力线，即使几何长度为几千米，但与市电的波长（如6000 km）相比，还是小得多，所以仍然只能将它看作短线。传输线理论是针对长线而言的，用来分析传输线上电压和电流分布，以及传输线上阻抗的变化规律。传输线理论是电路理论与电磁场波动理论的结合，可以认为它是电路理论的扩展，也可以认为它是电磁场波动方程的解。

在传统的低频电路中，连接元件的导线是理想的短路线，只需考虑传输信号幅度，而无须考虑相位，称之为集总参数电路。而在射频电路中，长线上每一点都分布有电阻、电感、电容和电导，导致沿线的电流、电压随时间和空间位置不同而变化，称为分布参数电路。

1.1.2 传输线的构成

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波传播方向相垂直。

（2）TE波（横电波）：电场与电磁波传播方向相垂直，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相垂直，传播方向上只有电场分量。

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。本书射频电路只涉及TEM传输线。

图1-1 TEM波模型

1.1.3 传输线举例

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。

1.同轴线

当频率高达10 GHz时，几乎所有射频系统或测试设备的外接线都是同轴线。如图1-2所示，同轴线由内圆柱导体（半径为a）、外导体（半径为b）和它们之间的电解质层组成。通常，外导体接地，电磁场被限定在内外导体之间，所以同轴线基本没有辐射损耗，也几乎不受外界信号干扰。同轴线的工作频带比双线传输线宽，可以用于大于厘米波的波段。

图1-2 常见传输线

2.微带线

多数电子系统通常都是采用平面印刷电路板作为基本介质实现的。当涉及实际的射频电路时，必须考虑蚀刻在电路板上的导体的高频特性。1965年，固体器件和微带线相结合，出现了第一块微波集成电路。在射频电路中平面型传输线得到了广泛的应用，多数射频电路是由微带线实现的。图1-2为微带线结构，它是在厚度为h的介质基片一面制作宽度为W、厚度为t的导体带，另一面制作接地导体平板而构成，整体厚度只有几毫米。

3.双线传输线

双线传输线由两根圆柱形导线构成，如图1-2所示。双线传输线是开放的系统，当工作频率升高时，其辐射损耗会增加，同时也会受到外界信号的干扰。相隔固定距离的双导线上由导体发射的电和磁力线可以延伸到无限远，并影响线附近的电子设备。由于导线系统像一个大天线，辐射损耗很高，所以双线是有限制地应用在射频领域。