传输线的结构与类型简介

（一）传输线的种类

广义地讲，凡是能够导引电磁波沿一定方向传输的导体、介质或由它们共同组成的导波系统，都可以称为传输线。传输线是微波技术中最重要的基本元件之一，这是因为它不仅可以把电磁波的能量从一处传输到另一处，而且还可用它作为基本组成部分来构成各种用途的微波元（器）件。具体传输线的种类是很多的，而且可按不同的标准分类。若按传输线所导引的电磁波的模式（简称模，也就是场结构或场分布）来划分，则可分为三种类型：（1）TEM波传输线，如双导线、同轴线、平板线、带状线以及微带线和共面波导（严格地讲，是准TEM波——近似于TEM 波）等，它们都属于双导体传输系统。多导体系统也可以传输TEM 波；（2）TE 波和TM 波传输线，如矩形、圆形、脊形和椭圆形波导等，它们是由空心金属管构成的，属于单导体传输系统（双导体和多导体传输系统在一定条件下，例如，当传输线的横向尺寸与工作波长相比足够大时，也可以传输TE 和TM 波，但一般不常用，常用的是主模TEM 波）；（3）表面波传输线，如介质波导（包括光纤）、介质镜像线以及单根的表面波传输线等，电磁波聚集在传输线内部及其表面附近沿轴线方向传播，一般的是混合模（TE 波和TM 波的叠加），某种情况下也可传播TE 波或TM 波。图1.1-1 给出了这三种类型传输线中比较典型和常用的传输线的结构简图，并非传输线的全部。此外，还有一些结构上更为复杂的传输线，它们是上述三种基本类型的组合和发展。需要说明的是，对于（1）、（2）两类传输线而言，是在不考虑其损耗时可能存在的模，若考虑损耗，则沿传输线纵向，电场和磁场的纵向分量会同时存在，是混合模EH（纵电波）或HE（纵磁波）。粗略地讲，若纵向电场较强、纵向磁场较弱，则为EH 波，反之，则为HE 波。因为实际应用的传输线大都由良导体（近似地视为理想导体，电导率σ →∞）和损耗很小的介质（近似地视为理想介质，电导率σ →0）所构成，所以，（1）和（2）两项所述，对于实用而言是足够精确的，图1.1-1（i）是介质波导（光纤属介质波导的一种），其基本工作原理是，只要介质的介电常数大于其周围物质（例如空气）的介电常数，进入介质内的电磁波就会在两种介质的分界面处产生反射（理论上讲，全反射），从而使大部分电磁波集中于介质及其表面附近，并形成沿介质波导轴线方向传输的波。介质波导不仅可传播电磁波，而且还可利用其辐射性能制成介质天线（表面波天线）。图1.1-1（j）是镜像线，它是由半圆形的介质棒与一薄金属板而构成的传输线，电磁波的能量主要集中于介质棒及其表面附近，并沿棒的轴线方向传播。图1.1-1（k）是单根表面波传输线，左边是一介质棒，右边是由在金属导体的表面上涂覆一层薄的介质而构成的传输线。

图1.1-1 传输线的种类

（1）TEM 波和准TEM 波传输线；（2）TE 波和TM 波传输线；（3）表面波传输线（a）平行双导线；（b）同轴线；（c）带状线；（d）微带线；（e）矩形波导；（f）圆形波导；（g）脊形波导；（h）椭圆形波导；（i）介质波导；（j）镜像线；（k）单根表面波传输线

（二）传输线的分析方法

传输线理论主要包括两方面的内容：一是研究所传输模的电磁波在传输线横截面内电场和磁场的分布规律（亦称场结构、模、波型），称为横向问题；二是研究电磁波沿传输线轴向的传播特性和场的分布规律，称为纵向问题。横向问题要通过求解电磁场的边值问题来解决，不同类型或同一类型但结构形式不同的传输线，具有不同的边界条件，应分别加以研究。但是，各类传输线的纵向问题却有很多共同之处，例如，都是沿轴线方向把电磁波的能量从一处传向另一处，都是一种波的传播（波动），而且，由于传输线终端所接负载的不同，当沿着传输线的纵向（轴向）观察时，可能是行波、行驻波或纯驻波，因此，尽管传输线类型不同，但都可以用相同的物理量来加以描述。可见，如果我们的着重点不是各类传输线横截面内的场结构（横向问题），而是它的纵向问题，则可以用一个等效的简单传输线（如传输TEM 波的双导线或同轴线）来描述。简单传输线的纵向问题，可以用场的方法来分析；在求得传输线的分布参数之后，也可以用电路的方法来分析。前者是根据边界和初始条件求电磁场波动方程的解，得出电磁场随时间和空间的变化规律；后者是利用分布参数电路的理论（传输线的电路模型）来分析电压波（与电场相对应）和电流波（与磁场相对应）随时间和空间的变化规律。实际上，这是对同一客观事物的两种不同描述方法，可根据具体情况采用其中的一种方法，就一般问题而言，场的分析方法是普遍的方法。对于本章而言，鉴于路的方法简便、易懂，我们将采用路的方法来分析传输线的纵向问题。

对传输线的基本要求是：工作频带宽（或满足一定的要求）、功率容量大（或满足一定的要求）、工作稳定性好、损耗小、尺寸小和成本低等。在实际应用中，一般地讲，在米波或分米波中的低频段范围内，可采用双导线或同轴线；在厘米波范围内可采用空心金属波导管以及带状线和微带线等；在毫米波范围可采用空心金属波导管、介质波导、介质镜像线和微带线；在光频波段则采用光波导（光纤）。以上的划分主要是从减少损耗（导体损耗、介质损耗和辐射损耗）、屏蔽好、受外界干扰小，以及减小结构尺寸和工艺上的可实现性来考虑的，并非只从频率的高低来考虑，例如波导管，若用于米波或分米波波段，一般地，则因其尺寸过大，而不便于应用（对于大功率或特大功率则例外）。例如，同轴线也可用于厘米波和毫米波范围；再如，双导线、同轴线、带状线以及微带线和共面波导（严格地讲，是准TEM 波——近似于TEM 波）等，在传输TEM（或准TEM）波的情况下，若不考虑其他因素，并无频率下限，也就是说，即使是直流电也可以传输。由此可见，以上的划分只是大致的情况，其界限并不十分严格。

（三）传输线的应用

从通信技术发展的过程可以看出，自从利用电磁波传递信息（有线传递、无线传递）以来，所使用的工作频率在不断地提高，从早期的利用低频开始直到现在的利用光频为止，这是一个非常宽的频段范围。其原因在于，从早期的只是传递电报信息逐渐地发展到传递语音、图像、数据等信息；从利用模拟信息的传递发展到数字信息的传递；从近距离的信息传递发展到远距离（跨洲越洋）的信息传递，以及地面与外层空间、外层空间中航行器之间的信息传递，等等。这就要求电磁波的传输系统（双导线传输线或波导，以及带状线、微带线、光纤，直到无线光通信等）、发射和接收等设备具有宽频带、大信息容量、高精密度、低损耗等性能，同时还要求集成化、小型化（频率越高，波长越短，则相应设备的尺寸也越小）。解决这些问题的方法就是不断地提高所使用的工作频率，作为通信系统中主要构成部分之一的传输系统，为了适应这一要求，必然会随着工作频率的不断提高，在结构形式和材料的选用上需要不断地改进和完善，因此就出现了使用频率范围不同、结构形式不同的各种各样的传输线（广义的）。下面简略地介绍一下这些不同类型传输线的主要特点。

双导线传输线 它在低频范围内有广泛的应用，可用于长波、短波，在某些情况下也可用于超短波波段。若波长更短（频率更高），电流的趋肤效应增强，导体损耗、绝缘介质和支架介质的损耗都会增加；而且，当工作波长与两导线之间的距离可比拟或更短时，会产生辐射损耗，波长越短，损耗越大。由于这些原因，双导线传输线会失去传输电磁波能量的作用。

同轴线 与双导线传输线相比，它可用于较高的频率范围，一般可用于分米波和厘米波波段。它的优点是，电流通过同轴线的面积加大了，使导体损耗减小了，外导体的屏蔽作用消除了辐射损耗；它的缺点是，若频率再高，趋肤效应引起的导体损耗、填充物引起的介质损耗都会增加。另外，在大多数情况下同轴线中传输的都是主模TEM 波（单模传输），因此为了抑制高次模（TE 和TM）的传输，同轴线的横向尺寸（内导体的外径，外导体的内半径）不能太大，这就使得内、外导体之间的距离较近，在传输大功率时会发生击穿现象。因此，当波长小于10 cm 时，应采用没有内导体的波导管来传输电磁波的能量。

以上所讲，是从损耗和传输功率的角度来考虑的，而在实际应用中应根据具体情况灵活掌握。例如，当传输功率较小时，同轴线也可以用于厘米波和毫米波，另外，从本章有关同轴线的讲授内容可知，在传输TEM 波的情况下，若不考虑损耗，在同轴线的使用上没有频率下限和上限，直流电压和电流也可以传输，这一点在微波电路中非常有用，因为它可以给有源器件的电源提供一个直流通路。

金属波导管 与同轴线相比，它的优点是，结构坚固，不易变形，没有内导体，增加了功率承受能力，减少了导体损耗，管内填充的是空气或惰性气体，没有介质损耗，与同轴线一样，波导管也有屏蔽作用，没有辐射损耗。它主要用于厘米波和毫米波范围内，在要求传输大功率的情况下也可用于米波或分米波波段。因为工作波长越长，波导管的横向尺寸也越大，因此在一般情况下，不宜采用高于分米波的工作波长。目前传输线的类型很多，在许多方面可以替代波导管的作用，但是在微波天线、雷达、卫星通信、电子对抗、电子加速器等方面，以及在要求大功率传输的精密检测仪器中仍然需要采用波导管。波导管不仅可以传输电磁波，而且还可以用来制造各种各样的微波元（器）件。

平面传输线 平面结构的传输线（例如，微带线、带状线、槽线、共面波导等）的特点是：尺寸小、质量轻、结构紧凑、易制造、成本低，易与微波有源或无源器件构成微波集成电路（Microwave Integrated Circuit，MIC），也可以构成各种用途的微波元（器）件及微波天线等，用途非常广泛。

介质波导与光波导 一般的介质波导是全部由介质构成的棒状形波导，其横截面可以是圆形、椭圆形和矩形，电磁波沿其轴线方向传输。当工作波长较长时，例如厘米波段，则因损耗较大而不宜用作传输电磁能量的波导，但在毫米波段由于损耗较小，大部分能量集中于介质内，可以用作波导。另外，在一定波长范围内，利用介质棒在传输电磁波的过程中产生的辐射效应，还可以把它制作成微波天线。

光波导（光纤——光导纤维） 也属于介质波导的范畴，但它与一般的介质波导相比，其横截面尺寸要小得多，工作波长更短（光波波段）。与前述几种传输线相比，工作频带宽，信息容量大，抗干扰性强，损耗也不大。目前，光纤在通信领域的应用已十分广泛。

无线光通信（自由空间光通信） 无线光通信不需要任何传输线，而是以激光作为传递信息的载体，通过大气层或外层空间来传递信息的一种通信方式。用光作为通信手段早在19世纪末已有学者进行了实验研究，但是直到近期才真正进入实用阶段，应用范围日趋广泛。在卫星与卫星、卫星与航天器和空间站之间，以及卫星与地面站之间、陆地上任意两点之间都可以用无线光通信传递信息，甚至还可将它用于水下通信。

以上所列举的传输线并非微波技术中所用传输线的全部，却是最重要的部分，对这一部分有一个简略的了解，对初学者而言是十分必要的，而且对于理解本书所讲内容也是十分有益的。需要说明的是，本书不可能详细讨论各种类型的传输线，而只是选择其中主要的几种传输线予以详细的讨论。(www.zuozong.com)

（四）长线与分布参数

1.短线与长线

如图1.1-2所示，横坐标轴z 表示传输线的长度方向，图中给出了一个随时间做简谐振荡的电压波（或电流波）沿线传播时某一瞬时的分布图。图1.1-2（a）表示的是电压波的波长λ 远大于传输线的长度l 的分布情况（图中只画了一个完整的半个波长），此时我们称传输线为短线（l/λ 很小）。在线上任取两点A 和B，两点之间的距离AB 远小于λ，由图可见，两点以及处于两点之间的传输线段上的各点，电压波的大小和相位都近似相等，即它们随时间的变化几乎是同步的，与线上各点所处的位置几乎无关，电压波只是时间的函数，因此可写为U=Umcosωt。在低频（普通无线电波段）范围内，因为传输线（双导线）的几何长度l，以及电路中元（器）件的几何尺寸都远小于λ，波在传输中的相位滞后可以忽略不计，在稳态的情况下，电路内各点的电压（或电流）可近似地认为只是同步地随时间变化，而与空间位置无关，因此低频电路的问题属于短线范畴。以上所说，就是短线的特点。

图1.1-2

（a）短线；（b）长线

当电压波的频率很高时（例如在微波范围内），即λ 很短，使得传输线的长度l 大于λ，或可与之相比拟时，此时我们称传输线为长线。从图1.1-2（b）可以看出，线上A 和B两点处电压的大小和相位都不相同，沿线其他各点电压的大小和相位也都不相同，频率越高，这种差别越明显。这说明波在传输过程中有明显的相位滞后现象，线上各点的电压不仅随时间变化，而且还与空间位置有关。在微波范围内所使用的传输线、元（器）件，其几何尺寸也都大于λ，或可与之相比拟，因此微波电路的问题属于长线的范畴。以上所说，就是长线的特点。

为了加深对短线和长线概念的理解，以及两者之间的内在联系和区别，我们可以利用数学表示式来加以说明。如图1.1-2（b）所示，设在线的始端有一电压波U=Umcosωt沿线向z 增加的方向传输，在线上与始端相距为z 处的电压，与始端相比，要滞后一个时间段Δt=z /v （v 是电压波的速度），即是说，经过 Δt 时间之后，始端的电压波才到达z 处，即有一个相位（时间）差，因此，z 处的电压应为U（z）=Umcosω（t-z / v），ω 是电压波的角频率。设β=2π/λ，称为相移常数，因此，U（z）又可写为U（z）=Umcos（ωt-βz）。当距离或线长z 远小于波长λ 时，式中的 β z项可以忽略不计，则U（z）可近似地认为只与时间有关，而与位置无关，此即前面所说的短线的情况。当距离或线长大于λ，或可与之相比拟时，β z项不能忽略掉，U（z）不仅与时间有关，而且还与空间位置有关，此即前面所述的长线的情况。

从上面的讨论可知，短线和长线是一个相对的概念，它不是取决于传输线几何尺寸的实际长度，而是取决于l/λ 的比值。例如，对于频率为50 Hz（λ=6 000 km）的电磁波而言，若传输线的长度为10 km（甚至更长），它仍是短线；而当电磁波的频率为104 MHz（λ=3 cm）时，即使传输线的长度只有10 cm，它也是长线了。

2.分布参数和集总参数

对于传输线而言，当导体中有电流时，就会产生损耗，这是电阻在起作用，导体周围有磁场，从而产生了电感效应，两根导体之间有电位差，从而产生了电容效应，因为两导体之间的绝缘并非理想的电介质，有电导存在，从而产生了漏电流，并在介质中产生损耗。随着频率的升高，导体内电流的趋肤效应，以及传输线的辐射效应都会增强。所有这些现象都是沿整个传输线分布的，我们把描述这些现象的参数R、L、C 和G 称为传输线的分布参数，它们分别为传输线单位长度上的（双线）分布电阻（Ω/m）、（双线的）分布电感（H/m）、分布电容（F/m）和分布电导（S/m）。

从分布参数产生的原因可以看出，它们所描述的这些现象在低频和微波范围都是存在的，但在低频电路中，其影响可以忽略不计。例如，由于频率不高，传输线的电感效应（j Lω）、电容效应[1/（jωC）]、介质损耗（它与2ω 成正比），以及趋肤效应和辐射效应的影响都可以忽略不计，可以近似地认为，传输线本身既无电阻、电感、电容和电导，而且，一般地，也可以不考虑趋肤效应和辐射效应。因此，在低频电路中，电场能量和磁场能量分别集中于电容（器）和电感（器）中，电磁场的能量只消耗在电阻（器）上，传输线只是起传输能量和连接的作用；而且，电路系统内元（器）件的几何尺寸也远小于波长λ，波在传输过程中的相位滞后效应可忽略不计，这就是通常所说的集总参数电路。但在微波范围内，由于频率很高，分布参数的效应不能被忽略，传输线不仅仅只起传输能量和连接的作用，而其本身就是一个由分布参数R、L、C 和G 所构成的电路系统。顺便指出，分布参数电路和集总参数电路，除了上述的差别之外，还有一点不同，即在集总参数电路中，电压和电流都有确切的定义，而在分布参数电路中，一般地讲，除个别情况外，电压和电流不再具有确切的定义。

最后需要说明的是，分布参数的概念虽然是从双导线传输线（狭义的传输线）引申出来的，但它并不仅限于双导线传输线，对于在微波范围内使用的其他类型的传输线（广义的传输线）同样是适用的。因为在这些传输线中，电场和磁场、电磁场能量的损耗都是呈分布状态的，所以，描述这种状态的参数也必然是分布参数。

（五）传输线理论的重要性和传输线在微波技术中的地位

1.传输线理论的重要性

在微波范围内所使用的传输线（广义的）是一个分布参数系统，它所传输的电磁波的模为TEM、TE、TM，以及混合模EH 和HE 等，这些模之间的主要差别是，它们在传输线横截面内电磁场的分布规律不同，而在沿传输线的轴向（纵向）则有共同的传播规律，即它们都是沿传播线传播的一种波动，就此而言，它们没有什么本质上的差别。因此，本章虽然是以双导线传输TEM 波为例讨论有关的问题，但由此得出的某些结论、公式和概念，以及某些计算方法（例如，阻抗和导纳圆图等），都具有普遍意义，即是说，对于TE、TM 和混合模EH 和HE 等也是适用的。正是基于此，在本章的讨论中有时明确指出是双导线，有时又笼统地称为传输线，以强调其普遍性。

传输线理论是微波技术理论的一个重要组成部分。从本书内容看，传输线理论是各章内容的理论基础，是贯彻本书所有内容的主线，因此掌握传输线理论，对于学好本课程，以及在此基础上学习微波技术其他领域的知识都是十分重要的。

2.传输线在微波技术中的地位

微波技术所研究的内容，已经在绪论中做了概略介绍。对于微波技术研究的内容和应用，都有相关的学科和课程对其进行研究和讨论，这些内容不是一两门课程所能包括的，更不是本书所能包括的。但本书所讲的传输线（广义的，包括双导线传输线、同轴线、波导，以及各种平面结构的传输线等），它在微波技术中却起着非常重要的作用，这是因为传输能量只是它的功能之一，更重要的它还是许多微波元（器）件、微波电路和天线等的重要组成部分，并以它为“依托”制造而成，而且，在某些情况下，传输线本身就是一个微波元件。由此可见，掌握传输线理论，对于学习微波技术其他领域的知识是十分必要的。