电线电缆行业传输线理论(PDF 43页).pdf

传输线理论2007 Rev.2.0 信息产业部信息传输线质量监督检验中心 朱荣华编写 第1页 共43 页 传输线理论 1 引言 传输电磁能量和信号的线路称为传输线。传输线包括TEM 波传输线、波导传输线和 表面波传输线。本教材讨论TEM 波传输线（如双线、同轴线）的基本理论。这些理论不 仅适用于TEM 波传输线,而且也是研究TEM波传输线的理论基础。 TEM波即横电磁波，其特征是E =0 、H =0 ，因此电磁场只有横向分量E 、H ，即TEM波只有垂 z z T T 直于传输方向的横向分量。但应注意到TEM波的场不是静场，而是随时间t及纵座标z波动变化的场。 研究传输线上所传输电磁波的特性的方法有两种。一种是“场” 的分析方法，即从麦氏 方程组出发，解特定边界条件下的电磁场波动方程，求得场量（E 和H ）随时间和空间的 变化规律，由此来分析电磁波的传输特性；另一种方法是“路” 的分析方法，它将传输线作 为分布参数来处理，得到传输线的等效电路，然后由等效电路根据克希霍夫定律导出传输 线方程，再解传输线方程，求得线上电压和电流随时间和空间的变化规律，最后由此规律 来分析电压和电流的传输特性。这种“路” 的分析方法，又称为长线理论。事实上，“场”的 理论和“路”的理论既是紧密相关的，又是相互补充的。 1.1 分布参数及其分布参数电路 传输线可分为长线和短线，长线和短线是相对于波长而言的。所谓长线是指传输线的 几何长度和线上传输电磁波的波长的比值（即电长度）大于或接近于1。反之称为短线。 在微波技术中，波长以m或cm计，故1m长度的传输线已长于波长，应视为长线；在电力工 程中，即使长度为1000m的传输线，对于频率为50Hz （即波长为6000km ）的交流电来说， 仍远小于波长，应视为短线。传输线这个名称均指长线传输线。有些传输线宜用“场” 的理 论去处理，而有些传输线在满足一定条件下可以归结为“路” 的问题来处理，这样就可以借 用熟知的电路理论和现成方法，使问题的处理大为简化。长线和短线的区别还在于：前者 为分布参数电路，而后者是集中参数电路。在低频电路中常常忽略元件连接线的分布参数 效应，认为电场能量全部集中在电容器中，而磁场能量全部集中在电感器中，电阻元件是 消耗电磁能量的。由这些集中参数元件组成的电路称为集中参数电路。随着频率的提高， 电路元件的辐射损耗，导体损耗和介质损耗增加，电路元件的参数也随之变化。当频率提 高到其波长和电路的几何尺寸可相比拟时，电场能量和磁场能量的分布空间很难分开，而 且连接元件的导线的分布参数已不可忽略，这种电路称为分布参数电路。 下面以对称线为例讨论它的分布参数： 频率提高后，导线中所流过的高频电流会产生趋肤效应，使导线的有效面积减小，高 传输线理论2007 Rev.2.0 信息产业部信息传输线质量监督检验中心 朱荣华编写 第2页 共43 页 频电阻加大，而且沿线各处都存在损耗，这就是分布电阻效应；通高频电流的导线周围存 在高频磁场，这就是分布电感效应；又由于两线间有电压，故两线间存在高频电场，这就 是分布电容效应；由于两线间的介质并非理想介质而存在漏电流，这相当于双线间并联一 个电导，这就是分布电导效应。当频率提高到微波频段时，这些分布参数不可忽略。例如， 设双线的分布电感L = 1.0nH/mm，分布电容C = 0. 01 pF/mm 。当f=50Hz时，引入的串联电 1 1 抗和并联电纳分别为X =314×10-3µΩ /mm和B = 3.14×10−12 S / mm 。当f=5000MHz时，引入 l c 的串联电抗和并联电纳分别为X =31.4Ω