微波工程 - 传输线
传输线是一种将能量从一点传输到另一点的连接器。传输线理论的研究有助于有效利用电力和设备。
传输线基本上有四种类型 −
- 双线并行传输线
- 同轴线
- 条带型基板传输线
- 波导
在发送或接收时，能量传输必须有效进行，不能浪费电力。为实现此目的，必须考虑某些重要参数。
传输线的主要参数
传输线的重要参数是电阻、电感、电容和电导。
电阻和电感合称为传输线阻抗。
电容和电导合称为导纳。
电阻
传输线所用材料产生的电阻将非常大，尤其是对于较短的线路。随着线路电流的增加，欧姆损耗 $\left ( I^{2}R \: loss ight )$ 也会增加。
长度 "$l$" 和横截面积 "$a$" 的导体的电阻 $R$ 表示为
$$R = ho \frac{l}{a}$$
其中
�$ ho$ = 导体材料的电阻率，为常数。
温度和电流频率是影响线路电阻的主要因素。导体的电阻随温度的变化而线性变化。而如果电流频率增加，则朝向导体表面的电流密度也会增加。否则，流向导体中心的电流密度会增加。
这意味着，流向导体表面的电流越多，流向中心的电流就越少，这被称为趋肤效应。
电感
在交流输电线中，电流以正弦方式流动。该电流会感应出垂直于电场的磁场，该磁场也会以正弦方式变化。这就是众所周知的法拉第定律。下图描述了这些场。
这个变化的磁场会在导体中感应出一些 EMF。现在，这个感应电压或 EMF 的流动方向与最初流动的电流相反。这种反向流动的 EMF 等效地由称为电感的参数表示，它是抵抗电流变化的属性。
它用"L"表示。测量单位是"亨利(H)"。
电导
输电线和地面之间以及相导体之间会有漏电流。这种少量的漏电流通常流过绝缘体的表面。这种漏电流的倒数称为电导。它用"G"表示。
线电流的流动与电感有关，两点之间的电压差与电容有关。电感与磁场有关，而电容与电场有关。
电容
相导体之间的电压差在导体之间产生电场。两个导体就像平行板，它们之间的空气变成电介质。这种模式在导体之间产生电容效应。
特性阻抗
如果考虑均匀无损传输线，对于沿一个方向传播的波，沿该线的电压和电流幅度之比(没有反射)称为特性阻抗。
它用 $Z_0$ 表示
$$Z_0 = \sqrt{\frac{voltage \:\: wave \:\: value}{current \:\: wave \:\: value}}$$
$$Z_0 = \sqrt{\frac{R + jwL}{G + jwC}}$$
对于无损线，$R_0 = \sqrt{\frac{L}{C}}$
其中 $L$ & $C$ 是单位长度的电感和电容。
阻抗匹配
为了实现对负载的最大功率传输，必须进行阻抗匹配。为了实现这种阻抗匹配，必须满足以下条件。
负载的电阻应等于源的电阻。
$$R_L = R_S$$
负载的电抗应等于源的电抗，但符号相反。
$$X_L = -X_S$$
这意味着，如果源是电感性的，则负载应该是电容性的，反之亦然。
反射系数
表示由于传输线中的阻抗不匹配而反射能量的参数称为反射系数。它用 $ ho$ (rho) 表示。
它可以定义为"负载端子处反射电压与入射电压之比"。
$$ ho = \frac{reflected\:voltage}{incident\:voltage} = \frac{V_r}{V_i} \: at \: load \: ends$$
如果设备和传输线之间的阻抗不匹配，则能量会被反射。反射的能量越高，$ ho$ 反射系数的值就越大。
电压驻波比 (VSWR)
入射波反射时会形成驻波。形成的驻波包含一些电压。驻波的幅度可以用驻波比来衡量。
驻波中最大电压与最小电压之比可以定义为电压驻波比 (VSWR)。它用"$S$"表示。
$$S = \frac{\left |V_{max} ight |}{\left |V_{min} ight |} \quad 1\:\leq S \leq \infty$$
VSWR 描述了由于入射波和反射波的相位加减而导致传输线中存在的电压驻波模式。
因此，它也可以写成
$$S = \frac{1 + ho }{1 - ho }$$
阻抗失配越大，驻波的幅度就越大。因此，如果阻抗完全匹配，
$$V_{max} : V_{min} = 1:1$$
因此，VSWR 的值为 1，这意味着传输是完美的。
传输线效率
传输线效率定义为输出功率与输入功率之比。
$\% \: 传输线效率 \: \eta = \frac{接收端输送的功率}{传输端发送的功率} imes 100$
电压调节
电压调节定义为传输发送端和接收端之间电压幅度的变化线。
$\% \: 电压 \: 调节 = \frac{发送 \: 结束 \: 电压 - \: 接收 \: 结束 \: 电压}{发送 \: 结束 \: 电压} imes 100$
由于阻抗不匹配导致的损耗
如果传输线未以匹配的负载终止，则会发生损耗。这些损耗有很多种类型，例如衰减损耗、反射损耗、传输损耗、回波损耗、插入损耗等。
衰减损耗
由于传输线中信号吸收而发生的损耗称为衰减损耗，表示为
$$衰减 \: 损耗 (dB) = 10 \: log_{10} \left [ \frac{E_i - E_r}{E_t} ight ]$$
其中
$E_i$ = 输入能量
$E_r$ = 从负载到输入的反射能量
$E_t$ = 传输到负载的能量
反射损耗
由于传输线阻抗不匹配导致信号反射而发生的损耗称为反射损耗，其表示为
$$反射 \: 损耗 (dB) = 10 \: log_{10} \left [ \frac{E_i}{E_i - E_r} ight ]$$
其中
$E_i$ = 输入能量
$E_r$ = 来自负载的反射能量
传输损耗
通过传输线传输时发生的损耗称为传输损耗，表示为
$$传输 \: 损耗(dB) = 10 \: log_{10} \: \frac{E_i}{E_t}$$
其中
$E_i$ = 输入能量
$E_t$ = 传输能量
回波损耗
传输线反射的功率的测量值称为回波损耗，表示为
$$回波 \: 损耗(dB) = 10 \: log_{10} \: \frac{E_i}{E_r}$$
其中
$E_i$ = 输入能量
$E_r$ = 反射能量
插入损耗
与不使用传输线的能量传输相比，使用传输线进行能量传输时产生的损耗称为插入损耗，表示为
$$插入 \: 损耗 (dB) = 10 \: log_{10} \: \frac{E_1}{E_2}$$
其中
$E_1$ = 负载直接连接到源时接收的能量，无需传输线。
$E_2$ = 当传输线连接在负载和源之间时，负载接收到的能量。
短截线匹配
如果负载阻抗与源阻抗不匹配，有时会使用称为"短截线匹配"的方法来实现匹配。
将分流器中称为短截线的开路或短路线路部分与主线在某个点或多个点处连接的过程可称为短截线匹配。
在较高的微波频率下，基本上采用两种短截线匹配技术。
单短截线匹配
在单短截线匹配中，将一定固定长度的短截线放置在距离负载一定距离的位置。它仅用于固定频率，因为频率的任何变化都必须改变短截线的位置，而这是不可以做到的。这种方法不适用于同轴线。
双短截线匹配
在双螺柱匹配中，两个可变长度的短截线固定在某个位置。随着负载的变化，只调整短截线的长度即可实现匹配。这在实验室实践中被广泛用作单频匹配装置。
下图显示了短截线匹配的外观。
如上图所示，单短截线匹配和双短截线匹配是在传输线中完成的，以实现阻抗匹配。
