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第五章
微波集成传输线
上一章介绍了金属波导的传输原理及特性，这类传输系统具有损耗小、结构牢固、功率容量高等优点，其缺点是比较笨重。随着航空、航天事业发展的需要，对微波设备提出了体积小、重量轻、可靠性高、成本低等要求。即使对于地面设备，也同样存在减轻设备体积与重量的问题。20世纪50年代产生的带状线及微带线不仅使微波电路的体积和重量大为减少，而且结构简单，加工容易，因此发展极为迅速。对微波集成传输元件的基本要求之一就是它必须具有平面型结构，这样可以通过调整单一平面尺寸来控制其传输性，从而实现微波电路的集成化。下图给出了各种集成微波传输系统，归纳起来可以分为四大类：
①准TEM波传输线，主要包括微带传输线和共面波导等。
②非TEM波传输线，主要包括槽线、鳍线等；③开放式介质波导传输线，主要包括介质波导、镜像波导等；
④半开放式介质波导，主要包括H形波导、G形波导等。

本章首先讨论带状线、微带线及耦合微带线的传输性，然后介绍介质波导的工作原理，并对几种常用介质波导传输线进行介绍，最后对介质波导的特例——光纤波导进行分析。
图3-1各种微波集成传输线5.1微带传输线
微带传输线基本结构有两种形式：带状线和微带线。带状线结构如图。它可看作由同轴线演化而来，即将同轴线的外导体对半分开后，再将两半外导体向左右展平，内导体也制成扁平带线。从其电场分布结构可见其演化特性。显然，带状线仍可理解为与同轴线一样的对称双导体传输线，主要传输的是TEM波。7微带线是由在介质基片上的金属导体带和接地板构成的一个特殊传输系统，它可以看成由双导线传输线演化而来，即将无限薄的金属片垂直插入双导线中间，因为导体板和所有电力线垂直，所以不影响原来的场分布，再将圆柱形导线变换成导体带，并在导体带与导体板之间加入介质材料，从而构成了微带线。微带线的演化过程及结构如上图所示。
1.带状线
带状线又称三板线，它由两块相距为b的接地板与中间宽度为w、厚度为t的
矩形截面导体构成，接地板之间填充均匀
介质或空气，如图所示。由于带状线由同
轴线演化而来，因此与同轴线具有相似的
特性，其传输主模也为TEM模。带状线的
传输特性参量主要有：特性阻抗Zo、衰减
常数α、相速υP和波导波长λg。1）特性阻抗Z0
由于带状线上的传输主模为TEM，因此可以用准静态的分析方法求得单位长分布电容C和分布电感L，从而有

式中，相速

（c为自由空间中的光速）。
由可知，只要求出带状线的单位长度分布电容C，则就可求得其特性阻抗。求解分布电容的方法很多，但常用的是等效电容法和保角变换法。由于计算结果中包含了椭圆函数而且对导带厚度的情况还需修正，故不便于工程应用。这里给出了一组比较实用的公式，这组公式分为导带厚度为零和导带厚度不为零两种情况。
（1）导带厚度零时的特性阻抗计算公式

式中，we是中心导带的有效宽度，由下式给出：

（2）导带厚度（t）不为零时的特性阻抗计算公式：

式中:带状线特性阻抗随w/b的变化曲线，如图所示。由图可见，带状线特性阻抗随着w/b的增大而减小，而且也随着t/b的增大而减小。

2）带状线的衰减常数α
带状线的损耗包括由中心导带和接地板导体引起的导体损耗、两接地板间填充的介质损耗及幅射损耗。由于带状线接地板通常比中心导带大得多，因此带状线的幅射损耗可忽略不计。所以带状线的衰减主要由导体损耗和介质损耗引起，即

式中，α为带状线总的衰减常数；αc为导体衰减常数；αd为介质衰减常数。
介质衰减常数由以下公式给出：

式中，G为带状线单位长漏电导，tanδ为介质材料的损耗角正切。
导体衰减通常由以下公式给出（单位Np/m）：

其中：

Rs为导体的表面电阻，

其中是导体电导率，（铜的导电率为
）。3）相速和波导波长
由于带状线传输的主模为TEM模，故其相速为

而波长为

式中，λo为自由空间波长；C为自由空间光速。4）带状线的尺寸选择
带状线传输的主模是TEM模，但若尺
寸选择不合理也会引起高次模TE模和TM
在TE模中最低次模是TE10模，其截止波长为

在TM模中最低次模是TM10模，其截止波长为因此为抑制高次模，带状线的最短工作波长应满足

于是带状线的尺寸应满足

2、微带线
微带线的结构如图所示。介质基片的一面为金属导带，另一面是金属接地板。主要结构参数有：导带宽度W、厚度t，基片厚度h以及基片材料的介电常数。
微带结构简单，加工方便，容易与
微波元器件连接，故在微波电路中得到广泛的应用。
由于微带的介质基片只位于导带的一侧，另一侧是空气，因而是一个多介质系统。理论上它只能存在TE和TM的混合模。但在微波频段的低端，微带的纵向分量远小于横向分量，这时微带线的传输模式与TEM波相差很小，称为准
TEM模。微带线的场结构如图所示