射频，其实没那么神秘之传输线

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在昨天的推文里，我们向大家推荐了梁老师的书——《简明微波》。之前我们的一些文章也是基于《简明微波》书籍的学习。

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今天我们接着来学习传输线基础——低频传输线和高频传输线。

我们这里所说的低频传输线，主要是指传输波长远大于传输线长度的电路，高频传输线就是波长课传输线长度接近的电路。我们在课程中学习到很多有关低频电路的知识，包括《电路原理》，《低频电子线路》等，但很少有关于低频传输线的课程，其实很简单，对于通信这个专业来说，研究的都是小信号电路，那么一点电压下，那么一点电流通过的两根线有什么好研究的呢？

但是对于强电专业或者涉及到特高压传输，那么这么一根电线学问就大了。这里不做详细讨论。

为了更好的对比微波传输线，我们简单介绍一下低频传输线的特性。

对于一根金属电线，低频电磁波的电磁能量均匀的分布在金属导线内，电流和电荷可等效集中在导线上。如下图所示：

低频电磁波只在金属导线内部传播，外部极少。无论导线如何弯曲，低频电流都在导体内部和表面附近，我们利用欧姆定律就可以进行计算。比如计算一个半径为2mm铜导线单位长度的直流线耗R0.

利用欧姆定律可得，代入铜的电导率：

可得：

当电磁波频率升高到微波频段时，根据前面的介绍，我们知道出现的第一个问题就是金属导体的趋肤效应。金属导体内的电流，电荷和场就会分布到金属导体的表面，如下图所示：

我们假设电磁波的频率为10GHz，波长为30mm，对于上文同样的铜导线就会有趋肤深度：

进而可得：

此时铜导线的电阻为：

由于：

和上文在直流下的电阻进行对比，电阻在10GHz增加了1500倍。相应的损耗也就增加了1500倍。

损耗是传输线的一个重要指标，如果要让微波频率下的损耗和直流相同，那么需要的传输线半径r就要增加到3米，直径6米。这个有多粗呢？自行脑部一下吧。两米高的实心微波传输铜柱的重量约为514吨，也就是孙悟空金箍棒的六十倍。不知道孙悟空拿得动拿不动？

趋肤效应带来的第二个问题就是金属柱内部几乎没有电磁波分布，没有能量传输。
也就是我们想把电磁波关在铜导线内这条路是行不通的。铜的损耗太大了。。。其实我们也关不住，电磁波的大部分功率是在空间进行传播的。铜导线只是电磁波的路标，为电磁波的传输指明了方向。因而对于微波传输线我们又成为导波系统——Wave Guide。

所以我们在研究电磁波的同时，不仅要研究它的导波系统，更要研究它的周围空间。

注释：
本文主要参考《简明微波》，仅供学习分享，如有侵权，请联系删除。

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来源：射频学堂

射频微波电路电子通信

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首次发布时间：2023-03-05