發(fā)布日期:2021-10-06 14:30:16 | 關(guān)注:3259
高頻板射頻信號可以通過無線信道傳輸,即自由空間傳輸,也可以通過有線信道傳輸,即傳輸線傳輸。微波傳輸線在射頻系統(tǒng)中起著非常重要的作用。利用微波傳輸線,不僅可以有效地傳遞微波信號,而且通過恰當(dāng)?shù)脑O(shè)計(jì),還可以構(gòu)成各種微波器件,(高頻板)微波電路和天線。常見的導(dǎo)波系統(tǒng)有規(guī)則傳輸線(如平行雙線、同軸線)、金屬波導(dǎo)(如矩形波導(dǎo)、圓波導(dǎo))和表面波波導(dǎo)(如微帶線)。
大多數(shù)實(shí)用的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)都是單模傳輸。因此,可以根據(jù)縱向場分量Ez和Hz的存在與否,高頻(高頻板)對波導(dǎo)中傳播的電磁波進(jìn)行如下分類:
橫電波,又稱為TE波:Ez=0,Hz≠0
橫磁波,又稱為TM波:Ez≠0,Hz=0
橫電磁波,又稱為TEM波:Ez=0,Hz=0
混合波:Ez≠0,Hz≠0
而根據(jù)傳輸線還可以依據(jù)不同的極化方式進(jìn)行分類,如下圖所示。TEM波是同軸線和平行板傳輸線的主要傳輸方式。TE和TM波則通常出現(xiàn)在矩形、圓形、橢圓形或脊?fàn)畈▽?dǎo)中。除了TEM、TE或TM模式外,混合波還包含電場和磁場的所有六個分量(Ex、Ey、Ez、Hx、Hy、Hz)。而混合波主要在微帶(MS)傳輸線、槽線(SL)和共面波導(dǎo)(CPW)結(jié)構(gòu)中傳輸。
圖1傳輸線分類
而這其中,(高頻板)現(xiàn)代微波電路和系統(tǒng)中最常用的三種傳輸線:同軸線,矩形波導(dǎo)和微帶線,分別有著不同的優(yōu)缺點(diǎn),如表1所示??梢钥闯觯▽?dǎo)更適合于雷達(dá)和類似的(高頻板)的高頻/高功率的應(yīng)用場景,在這些應(yīng)用中,它們的物理尺寸不會成為障礙;相對于的,同軸線和微帶線在高頻的損耗要相對的高;而對于集成度和尺寸都嚴(yán)格要求的情況下,例如手機(jī),手持接收機(jī)和一些固態(tài)、大功率放大模塊等,(高頻板)微帶線則是首選。
表1常用(高頻板)射頻導(dǎo)波傳輸系統(tǒng)的對比
下面就針對這幾種典型的傳輸線的工作原理以及類型做個簡單介紹:
同軸傳輸線
同軸線是將信號從源頭傳輸?shù)浇K端使用的最常用的設(shè)備,它是在傳輸過程中用連接器將電纜、信號源、終端連接到一起。在射頻同軸電纜中,電磁波的傳播模式是TEM模,即電場與磁場方向均與傳播方向垂直,如圖2所示,同軸電纜由內(nèi)導(dǎo)體、介質(zhì)、外導(dǎo)體和護(hù)套組成。
圖2同軸線的剖面示意圖(左),分解示意圖(右)
而同軸線的截止頻率,可以通過下列公式計(jì)算得到:
在截止頻率以內(nèi),信號都以TEM波的形式傳播。而且由截止頻率計(jì)算公式可以看出,同軸線的內(nèi)外導(dǎo)體尺寸決定了截止頻率,同時,一般來說尺寸(軸向)越小的同軸線,傳輸頻率越高。
而同軸線的另外一個重要參數(shù)是特征阻抗。實(shí)際上,同軸電纜的阻抗有25Ω,50Ω,75Ω,93Ω等,但在絕大數(shù)場合,都選用50Ω作為標(biāo)準(zhǔn),這是為什么呢?
對于空氣介質(zhì)同軸電纜,為使損耗最小,要求外導(dǎo)體內(nèi)徑與內(nèi)導(dǎo)體外徑的最佳比值為3.6,對應(yīng)的阻抗Z0為77Ω。而最大功率容量時,外導(dǎo)體內(nèi)徑與內(nèi)徑導(dǎo)體之比應(yīng)為1.65,對應(yīng)的阻抗Z0為30Ω。所以,50Ω的阻抗標(biāo)準(zhǔn)是一個綜合的考慮,即是同軸電纜最小損耗和最大功率容量之間的折中值。
與同軸線緊密相連的高頻板射頻和高頻板微波同軸連接器的發(fā)明,要追溯到第二次世界大戰(zhàn)期間的20世紀(jì)40年代,隨著高頻板雷達(dá)和各種無線電通信設(shè)備的誕生,最早出現(xiàn)了N和BNC等連接器。如圖下表,羅列了常用的射頻同軸連接器的主要電氣參數(shù)。
表2常用高頻板射頻同軸連接器的電氣參數(shù)表
矩形導(dǎo)波中可以出現(xiàn)各種TM模和TE模,以及線性組合。當(dāng)工作波長小于各種模式的截止波長,或者工作頻率大于各種模式的截止頻率時,這些模式都是傳輸模,因而波導(dǎo)可以形成多模傳輸。
高頻板(高頻線路板/高頻電路板)矩形波導(dǎo)的截止頻率為:
截止頻率不僅與波型和波導(dǎo)尺寸有關(guān),還與高頻板波導(dǎo)中所填充的介質(zhì)有關(guān)。
波導(dǎo)管的優(yōu)點(diǎn)是導(dǎo)體損耗和介質(zhì)損耗??;功率容量大;沒有輻射損耗;結(jié)構(gòu)簡單,易于制造。從應(yīng)用的角度看,描述高頻板波導(dǎo)的特征參數(shù)有以下四點(diǎn):
色散特性:色散特性表示波導(dǎo)縱向傳播常數(shù)與頻率的關(guān)系。與普通傳輸線不同,波導(dǎo)里不能傳輸TEM模,電磁波在傳輸過程中存在嚴(yán)重的色散現(xiàn)象,色散現(xiàn)象說明電磁波的傳播速度與頻率有關(guān)。
特性阻抗:特征阻抗Z在幅值上反映波導(dǎo)橫向電場與橫向磁場之比。當(dāng)不同波導(dǎo)連接時,特征阻抗越接近,連接處的反射越小。波導(dǎo)的特征阻抗是量度連接處對電磁能反射大小的一個很有用的參量。
損耗:損耗是限制波導(dǎo)遠(yuǎn)距離傳輸電磁波的主要因素。
場分布:滿足波導(dǎo)橫截面邊界條件的一種可能的場分布稱為波導(dǎo)的模式,不同的模式有不同的場結(jié)構(gòu),它們都滿足波導(dǎo)橫截面的邊界條件,可以獨(dú)立存在。
波導(dǎo)傳輸線
在電磁學(xué)和通信工程中,波導(dǎo)這個詞可以指在它的端點(diǎn)間傳遞電磁波的任何線性結(jié)構(gòu)。但最初和最常見的意思是指用來傳輸無線電波的空心金屬管。這種波導(dǎo)主要用作微波頻率的傳輸線,在微波爐、雷達(dá)、通訊衛(wèi)星和微波無線電鏈路設(shè)備中用來將微波發(fā)送器和接收機(jī)與它們的天線連接起來。
一般來說波導(dǎo)主要有兩大類,金屬波導(dǎo)和介質(zhì)波導(dǎo)兩種。金屬波導(dǎo)一般就是指空心金屬管,根據(jù)波導(dǎo)截面形狀不同,可分為矩形波導(dǎo)、圓波導(dǎo)等。目前,在實(shí)際應(yīng)用中,矩形波導(dǎo)和圓波導(dǎo)仍是兩種最主要的波導(dǎo)方式。
圖4常見的波導(dǎo)類型
高頻板矩形導(dǎo)波中可以出現(xiàn)各種TM模和TE模,以及線性組合。當(dāng)工作波長小于各種模式的截止波長,或者工作頻率大于各種模式的截止頻率時,這些模式都是傳輸模,因而波導(dǎo)可以形成多模傳輸。
矩形波導(dǎo)的截止頻率為:
截止頻率不僅與波型和波導(dǎo)尺寸有關(guān),還與波導(dǎo)中所填充的介質(zhì)有關(guān)。
波導(dǎo)管的優(yōu)點(diǎn)是導(dǎo)體損耗和介質(zhì)損耗小;功率容量大;沒有輻射損耗;結(jié)構(gòu)簡單,易于制造。從應(yīng)用的角度看,描述波導(dǎo)的特征參數(shù)有以下四點(diǎn):
色散特性:色散特性表示波導(dǎo)縱向傳播常數(shù)與頻率的關(guān)系。與普通傳輸線不同,波導(dǎo)里不能傳輸TEM模,電磁波在傳輸過程中存在嚴(yán)重的色散現(xiàn)象,色散現(xiàn)象說明電磁波的傳播速度與頻率有關(guān)。
特性阻抗:特征阻抗Z在幅值上反映波導(dǎo)橫向電場與橫向磁場之比。當(dāng)不同波導(dǎo)連接時,特征阻抗越接近,連接處的反射越小。波導(dǎo)的特征阻抗是量度連接處對電磁能反射大小的一個很有用的參量。
損耗:損耗是限制波導(dǎo)遠(yuǎn)距離傳輸電磁波的主要因素。
場分布:滿足波導(dǎo)橫截面邊界條件的一種可能的場分布稱為波導(dǎo)的模式,不同的模式有不同的場結(jié)構(gòu),它們都滿足波導(dǎo)橫截面的邊界條件,可以獨(dú)立存在。
表3常用標(biāo)準(zhǔn)矩形波導(dǎo)管規(guī)格標(biāo)準(zhǔn)對照表
微帶傳輸線
高頻板微帶傳輸線是由支在介質(zhì)基片上的單一導(dǎo)體帶構(gòu)成的高頻板微波傳輸線。適合制作微波集成電路的平面結(jié)構(gòu)傳輸線。與金屬波導(dǎo)相比,其體積小、重量輕、使用頻帶寬、可靠性高和制造成本低等優(yōu)點(diǎn);但其缺點(diǎn)是損耗稍大,功率容量小。60年代前期,由于微波低損耗介質(zhì)材料和微波半導(dǎo)體器件的發(fā)展,形成了微波集成電路,使微帶線得到廣泛應(yīng)用,相繼出現(xiàn)了各種類型的微帶線。
圖5微帶線結(jié)構(gòu)示意圖
高頻板共面波導(dǎo)的結(jié)構(gòu)類似于微帶線,是在微帶線的金屬導(dǎo)線兩側(cè)加上接地板,而在介質(zhì)基片的地面沒有接板,如下圖所示:
圖6共面波導(dǎo)傳輸線結(jié)構(gòu)示意圖
高頻板(高頻線路板/高頻電路板)共面波導(dǎo)作為一種性能優(yōu)越、加工方便的微波平面?zhèn)鬏斁€,在MMIC電路中正發(fā)揮越來越大的作用,尤其到了毫米波頻段,高頻板的共面波導(dǎo)更擁有微帶線所不可比擬的性能優(yōu)勢。與常規(guī)的微帶傳輸線相比,共面波導(dǎo)具有容易制作,容易實(shí)現(xiàn)無源、有源器件在微波電路中的串聯(lián)和并聯(lián)(不需要在基片上穿孔),容易提高電路密度等優(yōu)點(diǎn)。
總結(jié)
同軸線適合傳輸信號功率不大,對傳輸線損耗要求不高的場合。
波導(dǎo)傳輸射頻信號的優(yōu)點(diǎn)是功率容量大、損耗低,特別適合波長在10cm以上的波段。它的缺點(diǎn)是體積大、重量大,不利于集成。
微帶線可以用光刻工藝制作,其體積小、重量輕、使用頻帶寬、可靠性高和制造成本低等優(yōu)點(diǎn),尤其是易于集成的優(yōu)點(diǎn),使其廣泛應(yīng)用于印刷電路板中。其缺點(diǎn)也比較明顯,損耗稍大,功率容量小。
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