第5章
微波与光波能量传输装置

5.1　微波能量传输装置

5.1.1　微波能量传输装置概述

1. 微波能量传输装置定义

在微波技术中，最重要的问题之一就是微波能量的传输。在一个微波系统中，承载微波能量传输的结构组成被统称为微波能量传输装置。

2. 微波能量传输装置构成

（1）传输线

在微波通信设备中，发射机和天线之间、接收机和天线之间，以及各个电路元件之间，都要有传输能量的装置来连接，如图5.1和图5.2所示。其中，图5.1为无线电通信系统的基本方框图，图5.2为无线电定位测距系统的基本方框图。

传输线的定义：凡是用以引导电磁波的装置均可称为传输线，在工程应用中也将其称为馈线。

（2）天线

天线的基本作用是实现微波源与空间的能量传输，即将电磁波的能量发射至空气中或从空气中接收电磁波的能量，如图5.1和图5.2所示。

3. 对微波传输线的要求和分类以及长线和电长度

（1）对微波传输线的基本要求

微波传输线除用来传输电磁波外，还可用来构成各种结构形式的微波元件。对微波传输线的基本要求是，宽频带、低衰减。

（2）微波传输线的分类

微波传输线根据其构成结构的不同，可分为以下三类。

① 双导体结构传输线：主要有平行双导线、同轴线、带状线及微带线，如图5.3所示。这类传输线传输的是横电磁波（Transverse Electromagnetic Wave，），所以又称其为TEM波传输线。

② 波导管：最常见的有矩形和圆形截面波导管，如图5.4所示。这类传输线传输的是横电波（TE波）或横磁波（TM波）。

③ 介质传输线：有镜像线和介质传输线等。这类传输线上传输的是TE波和TM波的混合波，并且沿线的表面传输，故此又称其为表面波传输线，如图5.5所示。

（3）长线和电长度概念

① 长线：影响微波传输线作用和特性的主要因素是传输线的长度与波长之比。一般，传输线的长度超过波长，人们将凡是其长度大于波长或与波长相当的传输线称为长线。

② 电长度：为便于分析计算，人们把传输线的长度与所传输的电磁波波长之比（l/λ）定义为传输线的电长度。

5.1.2　双导线传输线

1. 双导线传输线的应用

我们最熟悉的传输能量的装置是双导线传输线，图5.6展示了双导线传输线结构。

平行双导线所传输电磁波的特点：电场靠磁场支持，磁场靠电场维系，彼此互为依存，图5.7展示了双导线的电磁场分布。

2. 双导线传输线的特性参数

（1）特性阻抗

传输线上的入射波电压Ui与入射波电流Ii之比被称为传输线的特性阻抗，用Z0表示。

Z0=Ui/Ii　（5.1）

在工程上常用的双导线传输线，其特性阻抗为Z0=120ln2D/d（空气介质），一般，Z0为40～1000 Ω，常用的有200 Ω、300 Ω、400 Ω和600 Ω。

（2）传播常数（γ）

传播常数是反映经过单位长度传输线后波的幅度和相位变化的一个物理量。

γ=α＋jβ　（5.2）

式中，α是衰减常数，表示传输线上波行进单位长度时幅值的变化，其单位为1/m；β是相移常数，表示传输线上波行进单位长度时相位的变化，其单位为rad/m。

（3）相速度（νp）

相速度被定义为沿一个方向传播的波（入射波或反射波）相位点移动的速度。

式中，c是光速；μ0是空气中的导磁率；ε0是空气中的介电常数；εr是介质中的相对介电常数。

（4）相波长（λp）

相波长被定义为同一瞬间相位相差为2π的两点间的距离，用λp表示。

3. 双导线传输线存在的问题

双导线传输线在频率较低的通信中得到了广泛的应用。但当频率提高到微波通信频率后，双导线传输线就失去了应用意义，这是因为它存在下列缺点。

① 由趋肤效应可知，频率越高，电流越趋向导体的表面，电流流过的有效面积的减小，使得金属中的热损耗加大。

② 在结构上，必须采用介质支架将双导线（明线）中的一根导线相对于另一根导线固定起来，这就会产生介质损耗，而且该损耗将随频率的升高而增加。

③ 双导线（明线）裸露于空间，电磁波向四面八方辐射，会形成辐射损耗，该损耗将随着频率的升高而增加，当频率继续增加时，损耗加大，以至于当频率增加到一定数值时，所传输能量将不可能沿着双导线（明线）传输线传播。

5.1.3　同轴传输线

1. 同轴传输线的应用

同轴传输线（简称同轴线）可以用作较高的频率传输线。实际上，同轴线也属于双导线传输线的范畴，其内部的中心导体（心线或轴）起着第一导体的作用，而外面的金属管起着第二导体的作用，同轴线的分类与结构，如图5.8所示，同轴线的电磁场分布，如图5.9所示。

2. 同轴传输线的特性参数

（1）特性阻抗（Z0）

同轴线的特性阻抗（Z0）一般为40～150 Ω，常用的有50 Ω、75 Ω两种。

（2）相速度（vp）

式中，εr为同轴线中填充介质的相对介电常数：c为光速。

（3）相波长（λp）

3. 同轴线尺寸选择

在选择同轴线尺寸时，主要考虑下述几个方面的因素。

① 在保证TEM波单模传输时，其工作波长与同轴线尺寸关系应满足λ>π(b+a)。

② 为获得最小的导体损耗，应取尺寸(b/a)≈5.59，此尺寸相对应的空气同轴线的特性阻抗约为77 Ω。

③ 为获得最大的功率容量，应取尺寸(b/a)≈1.65，此尺寸相对应的空气同轴线的特性阻抗约为30 Ω。

显然，上述两种同轴线的特性阻抗值不相同，对于75 Ω特性阻抗，主要考虑了损耗小的要求，对于50 Ω特性阻抗，则兼顾了损耗和功率容量的要求。

4. 同轴线的优缺点

由于电磁场被屏蔽在内外导体之间，所以同轴线没有辐射损耗，而且电流流过的表面积加大，使得金属损耗减小，因此同轴线可用于较高的频率传输。但是同轴线在传输能量时仍有不可避免的缺点，具体如下。

① 当频率比较高时，同轴线的衰减仍然很大，这是因为有内导体存在，人们必须用介质绝缘支架来支持同轴线，因而介质损耗仍不可避免。

② 内、外导体上都有趋肤效应所引起的热损耗，而且内导体所产生的热损耗更大（表面积小）。因此，同轴线虽比双导线（明线）的损耗减少了，但当频率相当高时仍不适用。

③ 随着频率的增高，必须减小同轴线的横向尺寸，以避免出现杂波。然后，横向尺寸的减小，使得内、外导体间的距离变小了，由此增加了电气击穿的危险。当击穿强度不变时，允许传输的最大功率就要降低。

④ 随着内、外导体间距的减小，同轴线的制造工艺将更为复杂，实施起来也将更困难。

因此，当波长小于10 cm时，同轴线便不能应用了。当然，这也不是绝对的，比如，作为传输小功率的短接线，同轴线甚至可用于3 cm的波长范围。

5.1.4　波导管传输线

1. 规则波导管

由于双导线传输线和同轴线存在的上述缺点，于是人们又寻求到了一种新的能适用于更高频率的传输能量的装置—波导管。在此仅介绍截面形状是规则的波导管，常用的沿轴线方向截面形状不变的矩形和圆形波导管，如图5.10所示。

波导管传输线与前面介绍的双导线传输线和同轴传输线不同，波导管只有一个导体。波导管的金属管实质上起屏蔽的作用，它不让电磁波向四面八方传输，而强迫电磁波在波导管内朝一个方向传输。在微波通信设备和雷达中，矩形波导管和圆形波导管获得了广泛的应用。前者用于厘米波段的收发设备中，后者以其衰减小的特点，被用作天线馈线和远距离通信的传输线。

2. 矩形波导管

矩形波导管是应用最广泛的一种导波管，其结构如图5.11所示。宽边尺寸为a，窄边尺寸为b，管壁一般采用紫铜材料，在氩气保护气氛下进行银钎焊并经精细修整，然后再电镀银制成。对理想波导管，假定波导管内填充无损耗介质（通常为空气），波导管壁的损耗也可忽略不计。实际应用的波导管损耗都很小，在工程上一般都可将其近似看成理想波导管。

（1）矩形波导管中的电磁波

我们知道在双导线（明线）和同轴线中都能存在TEM波—电场和磁场在其横截面上的波。在波导管中也存在横电磁波（没有电磁场的纵向分量，即Ez=Hz=0），原因如下。

① 电力线有两种，一种起于正电荷，止于负电荷（有源场），另一种围绕交变的磁场而自行闭合（有旋场）。

② 磁力线永远是无头无尾的闭合线，它或者围绕载流导线（传导电流），或者围绕交变的电场（位移电流），或二者兼有之。

③ 电力线和磁力线永远交链。

④ 在完善导体的表面，磁力线总是与导体表面平行，而电力线则与导体表面垂直（边界条件）。

电磁场只能存于波导管的内部，因为波导管的管壁对高频交变电磁场来说，是很好的屏蔽体。同时，因为波导管内没有内导体，所以磁场在波导管内不可能围绕载流导体，而只能围绕交变的电场。

如果磁场在波导管的切面上闭合，如图5.12（a）中虚线所示，很显然，必须有电场的纵向分量出现，由位移电流来支持磁场。由于有了电场的纵向分量，这种波不再是TEM波。因其磁场在横截面上，所以人们把它叫作横磁波，记作TM波；又因它有E的纵向分量，所以也被叫作电波，记作E波。此波形的特征是Ez=0，Hz≠0，所有的场分量可由纵向磁场分量（Hz）求出。

如果电场在波导管的横截面上，电力线终止于宽边上的电荷，如图5.12（b）所示，那么它必为闭合的磁力线所包围，这些磁力线必然处在纵向平面内，如图5.12（b）虚线所示的这种波被叫作横电波，记作TE波，或叫磁波，记作H波。此波形的特征是Hz=0，Ez≠0，所有的场分量可由纵向电场分量Ez求出。由上可知，在波导管中可以存在TE波和TM波，但通信上用得最多的是TE波。图5.12展示了波导管中的波的类型。

（2）矩形波导管中最有用且最简单的波的类型——TE10波

① TE10的第一个脚注“1”表示在波导管的宽边上电场强度有一个最大值，或者说有一个驻立半波；第二个脚注“0”表示电场强度沿波导管的窄边无变化，即在窄边上，电场强度最大值为零。

② TE10波的电磁场结构：为了给读者一个完整的立体概念，现综合给出波导管中TE10波的电磁场结构示意图，如图5.13所示。随着时间的变化，整个电力线和磁力线的图形以一定的速度在波导管内沿z轴移动。

③ TE10波的表面电流分布：在波导管的宽边上，H有Hx和Hy分量，其中Hx决定z方向电流的大小，｜Iz｜=｜Hx｜；Hz决定x向的电流大小，｜Ix｜=｜Hz｜。在波导管的窄边上，磁场只含有z向分量，因而电流也只有y向分量，其大小为｜Iy｜=｜Hx｜，图5.14绘出了TE10波在波导管壁上的电磁场分布立体示意图。

（3）了解波导管内壁上有高频电流流过及其分布的必要性

① 有利于计算波导管内传输能量的衰减：在有限的金属导电率的情况下，电流会消耗一定的能量，使金属发热，这就使沿波导管传播的波产生衰减。为了计算衰减就必须知道电流的大小及其分布情况。

② 有利于提高波导管的制造工艺：从上述分析中我们知道，在波导管宽边x=a/2处，横向电流Ix=0，因而开在波导管宽边中间的纵向窄缝，如图5.15中的“1”就不会影响电磁波的正常传播，这一点被广泛应用在测量技术中。相反，窄缝“2”“3”“4”将切断电流而影响电磁波的传播。电流分布情况对波导管的制造工艺有重要的指导意义，在波导管的各脊背上，横向电流有最大值，因而焊接处不选在该处而选在波导管宽边的中间。在窄边上，任何纵向的隙缝都将切断电流线而严重扰乱场型。波导管壁上的缝隙对波导管所传输电磁波的影响如图5.15所示。

3. 圆形波导管

除矩形波导外还常用圆形波导管，它可用于在较长距离上传输能量，比如，作为天线馈线等。圆形波导管中的波也可被看作由若干个平面波反射叠加而成，不过它的情况更复杂。从产品制造角度看，不是我们要掌握的重点，故本书不对其进行介绍。

4. 波导管应用中的优点与不足

与双导线（明线）和同轴线相比，采用波导管的优点与不足如下所述。

（1）优点

① 波导管具有简单、牢固的结构，保证波导管沿轴线的均匀性比双导线（明线）和同轴线要好得多。

② 由于没有内导体，故不必引进支柱，去除了介质损耗，免除了介质损耗对一般传输线在很高频率下工作时所带来的麻烦。

③ 波导管辐射很小，电磁场被限制在管内。

④ 因为它没有直径很小的内导体，波导管壁的损耗比同轴线小。

⑤ 由于无内导体，波导管的击穿强度比同轴线提高了。

（2）不足

① 从波导管外面上看结构简单，然而其制造过程却相当麻烦，一次合格率很低。以铜波导管为例，在制造过程中采用氩气保护下的银钎焊方式，变形大，修整工作量大，一次成功的良品率不高。

② 为了减小传输中的衰减，在选择材料时必须考虑使衰减尽量降至最小，因此在铜波导管的内壁上必须电镀一层银，以减少表面电流所遇到的电阻。

③ 在制造中一定要确保波导管内壁的光洁度，从而提高了对波导管制造工艺的精度和难度。因为内表面粗糙、凹凸不平会加长电流的实际流程，这将导致能量在传输过程中损耗增加。管壁不平滑时对电流行程的影响如图5.16所示。

④ 在波导管传输系统的不均匀处，电磁波的反射将引起能量的附加损失。减小反射的方法是使负载和波导管很好地匹配，并使各段很好地准确对接，由此提高了安装精度以及对操作者的技术要求。

5.1.5　微带线

1. 结构与分类

微带线是一种准TEM波传输线，结构简单，产品化程度高，因而已成为微波电路中首选的电路结构。微带线的横截面结构，如图5.17所示。

微带线根据应用领域可分为以下两类。

① 微波模拟信号传输类电子产品：如用于雷达、广播电视和通信系统中，用正弦波来传输信号，该类产品与电磁波有关。

② 高速逻辑信号传输类电子产品：如计算机，该类产品用数字信号传输信息，同样也与电磁波有关。

2. 特性参数

为实现高速传输，对微带线的基板材料在电气特性上有严格的要求，以实现传输信号的低损耗、低延迟。

① 基板参数：包括基板的相对介电常数（εr）、相对导磁率（μr）、介质损耗角正切（tanδ）值、基板厚度（h）和导带厚度（t），导带和底板（接地板）金属通常为Cu、Au、Ag、Sn或Al。

② 电参数：包括特性阻抗（Z0）、工作频率（f0）、工作波长（λg）和电长度（角度）（θ）。

③ 微带线参数：包括宽度（W）、长度（L）和单位长度衰减量（AdB）。

3. 微带线常用材料

微波集成电路中常用介质材料的特性，如表5.1所示。

5.1.6　微波天线

1. 概述

微波天线的基本作用是实现微波源与空间的能量传输，可通过天线结构形式实现所需要的方向性。描述天线能量转换和方向特性的电参数有多个，诸如天线的输入阻抗、辐射电阻、方向图、方向系数、增益、效率、频率特性和极化特性等。

天线的电参数取决于天线的结构形式和工作频率，在微波系统中，最常见天线有喇叭天线、抛物面天线和微带天线等。

2. 喇叭天线

喇叭天线是波导管与空气的过渡段，有矩形喇叭天线和圆锥喇叭天线两种，分别与矩形波导管和圆形波导管相连。喇叭天线可单独用于微波系统，也可作为面天线的馈源。

（1）矩形喇叭天线

矩形喇叭天线及其方向图如图5.18所示。对于图5.18所示的矩形喇叭天线，获得最佳增益的天线尺寸和增益分别为

（2）圆锥喇叭天线

圆锥天线如图5.19所示。对于图5.19所示的圆锥喇叭天线，获得最佳增益的天线尺寸和增益分别为

3. 抛物面天线

抛物面天线是一种高增益天线，是卫星或微波接力通信等点对点系统中使用最多的反射面天线，如图5.20所示。金属抛物面反射器将焦点上的馈源发射的球面波变成平面波发射出去。

抛物面天线的增益很高，波束很窄，抛物面的对焦非常重要，喇叭馈源与同轴电缆连接。抛物面天线的四种馈源方式，如图5.21所示。

4. 微带天线

微带天线结构紧凑，一致性好，成本低，效率高，近年来得到了长足的发展。常用的微带天线是矩形微带贴片天线或圆盘形微带天线。

（1）矩形微带贴片天线

矩形微带贴片天线如图5.22所示。

（2）圆盘形微带天线

圆盘形微带天线的典型结构，如图5.23所示。

（3）微带天线的其他形式

微带天线的其他形式，如图5.24所示。

（4）微带天线的馈电

微带天线的馈电如图5.25所示，该图给出了两种馈电形式的矩形微带天线示意图，图2.25（a）是背馈，同轴线的外导体与接地板连接，内导体穿过介质与贴片天线焊接在一起；图25（b）为侧馈，通过变换阻抗与微带天线连接。

（5）微带贴片天线的应用例

① 微带贴片天线在5G中的应用：相比一般的微波天线，该微带天线具有体积小、质量轻、低剖面、能与载体共形、低成本、适合于印制电路大批量生产、易和有源器件和电路集成为统一组件等优点。

在5G中，移动终端可以采用砷化镓（GaAs）微带阵列天线。目前，人们正在研究在PCB基板上集成光波导（SIW）。这种集成结构能在多层层压板的一侧安装很多RF电路，并路由至前端天线。RF IC可以裸片或表贴封装的形式安装在这种层压结构上。LTE终端和毫米波终端天线如图5.26所示。

基站也可采用阵列天线，这是由于毫米波传播距离短、衰减严重，需要密集型基站布局和大规模天线技术来保证通信质量。基站配置的大规模阵列天线如图5.27所示。将天线封装或集成在一个封装上，并且RF IC和机械结构一并设计和安装，可确保路由的对称性，可最大限度减少损耗。

② 图5.28是16×16相控阵天线，256个天线单元采用并联馈电方式，总的输入信号在阵列中央，用功分器将功率送到每个单元。