基本介紹
- 中文名：傳輸線
- 外文名：transmission line
- 拼音：chuán shū xiàn
- 注音： ㄔㄨㄢˊ ㄕㄨㄒㄧㄢˋ
- 套用學科：電信
作用影響,其他用途,方程,定義,傳播常數,特性阻抗,反射係數,電壓駐波比,阻抗匹配,套用,分類,特性,串擾,
作用影響
音響系統中各設備間連線線，其質量會直接影響音響系統的音質和聲音還原質量。傳輸線對聲音信號的影響不僅限於直流電阻，由於分布參數、趨膚效應、多芯線失真等因素影響，隨之而來的渦流損耗和電磁感應會對音質起到一定的破壞作用，導致不同頻率信號通過導線時，阻抗不盡相同，相移量也有所不同。傳輸線對聲音信號的影響取決於導體導體材質（如銅、無氧銅、金、鋁等）、線的幾何結構（如線徑、股數、絞合方式、導線外絕緣材料）以及線的技術工藝等多方面。在滿足使用要求的前提下，傳輸線應儘可能短且與設備接觸良好，並注意禁止和抗干擾問題，儘量減少聲音信號損失（包括幅度、頻率和相位三方面損失），常用的傳輸線有音頻禁止線、數字線和音箱線等。
其他用途
傳輸線也可以表述為用來傳輸電能量和信號的導線。
傳輸線
傳輸線傳輸線就是用以引導電磁波的裝置。
方程
定義
又稱電報方程，是說明傳輸線上電壓U和電流I之間關係的微分方程組。按分布參數電路的觀點，一小段傳輸線可等效為由分布電阻R1（歐/米）、分布電感L1（亨/米）、分布電導G1（西/米）和分布電容C1（法/米）等集總元件構成的T型網路（對無耗線，R1=G1=0），實際的傳輸線表示為各段等效網路的級聯。
傳輸線級聯設傳輸線與z軸平行、時諧信號角頻率為ω，
特徵阻抗
，
傳播常數
，
則傳輸線方程可寫成
其解U(z）和I(z）都由含因子的兩項組成
上標i，r分別表示入射波與反射波。一般，傳輸線上的電壓和電流各由上述兩相反方向的行波合成，形成駐波分布。
傳播常數
描述電壓或電流行波沿傳輸線行進過程中的衰減和相移的參量。通常，它是一個復常數
式中α稱為衰減常數，單位是奈/米或分貝/米（1奈/米=8.686分貝/米）；β稱為相移常數，單位是弧度/米。
對於無耗線（R1=G1=0），有
方程分別說明行波過程中沒有衰減；以及波行進一個波長有2π弧度的相位延遲。式中μ和ε分別為傳輸線所在媒質的導磁率和介電常數。
在傳輸線上行波的速度為
方程與頻率f無關。
對於低損耗線（R1<<ωL1，G<<ωC1），近似有
方程特性阻抗
傳輸線上行波傳播時的電壓與電流之比。通常它也是復常數
方程對無耗線
方程它與頻率無關，僅取決於線本身的物理參數和幾何尺寸，可表征線的“特性”，故稱特性阻抗。
由於傳輸線橫截面上電磁場的瞬時分布與二維靜電場、靜磁場的分布相似，因而可藉助靜電場和恆流磁場的方法分別計算分布參數C1和L1，從而算出特性阻抗Z0。通常是只計算C1，利用關係式⑷，由公式Z0=1/υC1算出特性阻抗。
常用的平行雙線和同軸線（圖1）的特性阻抗公式為平行線
方程同軸線
方程式中εr為同軸線填充介質的相對介電常數。
反射係數
信號從源端經傳輸線傳向終端，當終端接有負載阻抗ZL≠Z0時，則傳向負載的入射波將激起從負載向源方向的反射波。傳輸線上某點處反射液電壓與入射波電壓之比為該點的電壓反射係數，簡稱反射係數，通常是複數。對無耗線，反射係數 Γ=|Γ| ，沿線模|Γ|保持不變而幅角ψ呈線性變化。在負載端（反射點），|Γ|與ψ的初始值僅與比值ZL/Z0有關。
傳輸線上z點處的 Γ（z）與輸入（視在）阻抗
的關係為
方程式中
稱為用Z0歸一化的阻抗。當負載端
時，Γ(l)=0，線上只有傳向負載的入射波，而沒有從負載返回的反射波，稱該傳輸線工作在阻抗匹配狀態。
電壓駐波比
傳輸線上的反射波與入射波疊加後形成駐波，即沿線各點的電壓和電流的振幅不同，以1/2波長為周期而變化。電壓（或電流）振幅具有最大值的點，稱為電壓（或電流）駐波的波腹點；而振幅具有最小值的點，稱為駐波的波谷點；振幅值等於零的點稱為波節點。線上某電壓波腹點與相鄰波谷點的電壓振幅之比稱為電壓駐波比，簡稱駐波比；其倒數稱為行波係數。
電壓與電流兩種駐波曲線在空間上存在90°的相位差（波谷點位置相差1/4波長），即電壓波腹點對應電流波谷點，反之亦然。圖3是幾種負載情形的電壓駐波圖型。ρ為電壓駐波比，則電壓波腹點處的輸入阻抗為ρZ0；波谷點處的輸入阻抗為Z0/ρ。
反射係數模|Γ|與駐波比ρ的關係為
方程|Γ|=0時，ρ=1；|Γ|=1時，ρ=∞，因此，駐波比ρ常用於描述傳輸線的工作狀態。
阻抗匹配
目的是使傳輸線向負載有最大的功率轉移，即要求負載阻抗與傳輸線的特性阻抗相等，相應地有|Γ|=0（或ρ=1）。如果負載阻抗與傳輸線的特性阻抗並不相等，就需要在傳輸線的輸出端與負載之間接入阻抗變換器，使後者的輸入阻抗作為等效負載而與傳輸線的特性阻抗相等，從而實現傳輸線上|Γ|=0。阻抗變換器的作用實質上是人為地產生一種反射波，使之與實際負載的反射波相抵消。在實際問題中，還需要考慮傳輸線輸入端與信號源之間的阻抗匹配。
傳輸線
傳輸線高頻饋電系統中的阻抗匹配十分重要，阻抗失配會使輸送到負載的功率降低；傳輸大功率時易導致擊穿；且由於輸入阻抗的電抗分量隨位置而改變，對信號源有頻率牽引作用。
套用
傳輸線不僅用於傳送電能和電信號，還可以構成電抗性的諧振元件。例如，長度小於1/4波長的終端短路或開路的傳輸線，其輸入阻抗是感抗或容抗；長度可變的短路線可用作調配元件（短截線匹配器）。又如長度為1/4波長的短路線或開路線分別等效於並聯或串聯諧振電路，稱為諧振線；其中1/4波長短路線的輸入阻抗為無窮大，可用作金屬絕緣支撐等。此外，還可利用分布參數傳輸線的延時特性製成仿真線等電路元件。
分類
按傳輸媒質和結構上的特點，傳輸線可分為雙線傳輸線、微帶傳輸線、波導管傳輸線、表面波傳輸線和光導纖維等類。
4.1 雙線傳輸線
由兩拫平行的導電金屬線（一般為銅、鋼或鋁線)構成，傳送橫電磁波的傳輸線。按結構又可分為對稱型和同軸型兩類。我國廣泛使用的架空明線、各種對絞電纜和星絞電纜，都屬於對稱型的雙線傳輸線。中同軸和小同軸電纜則屬於同軸型的雙線傳輸線。
隨著頻率的提高，雙線傳輸線的金屬損耗和介質損耗都迅速增加。而且傳輸線的橫向尺寸與波長相比已經不能忽略，對設備的製造工藝和維護標準都提出了更為嚴格的要求。特別是對稱型雙線傳輸線開放式的電磁場，迴路間的耦合也愈為嚴重。因此傳輸頻率較低。我國的高頻對稱電纜一般開放頻率在252kHz以下的60路載波系統；中同軸電纜一般開放1800路載波通信系統，頻率8．5MHz。
4.2 微帶傳輸線
用於微波波段的一種不對稱傳輸線，傳輸準TEM波。結構的形式較多，性能用途也不相同。標準微帶的結構形式，是在較寬的接地金屬帶上方緊貼一層介質基片，基片的另一側貼附一條較窄的金屬長條。標準微帶線是微波積體電路中常用的一種傳輸線。
4.3 波導管傳輸線
用於微波波段中由空心導電金屬管構成的一種非TEM波傳輸線。波導管常用紫銅、黃銅等良導體製成，內壁還常鍍有一層導電性能優良的銀，使管壁具有很高的導電率。波導管的形狀主要有圓形、矩形和橢圓形等多種。
波導管由於管壁導電面積大，導電率高，因而金屬 熱損耗比較小，也沒有輻射損耗（因為場是封閉的）和介質損耗（因為管內沒有固體介質）。一般用於厘米波和毫米波段。
4.4 表面波傳輸線
由單根圓形截面的金屬導體構成的波導，又稱高-包線。導體表面覆有一層某種與內部導體電特性不同的介質材料，可以露天懸掛，導引電磁波沿傳輸線的表面傳輸。
4.5 光纖傳輸線
利用光導纖維作傳輸媒質，引導光線在光纖內沿光纖規定的途徑傳輸的傳輸線。根據傳輸模式的不同，可分為單模光纖與多模光纖兩類。光纖傳輸線具有通信容量大、傳輸距離遠、不受電磁干擾、抗腐蝕能力強、重量輕等許多技術上的優點，是本世紀70年代出現的一種受到廣泛歡迎的傳輸線。
特性
5.1 傳輸線的均勻性
傳輸導體橫截面的形狀、使用的材料、導體間的間隔和導體周圍的介質，線上路的全部長度上都保持均勻不變的，稱為均勻傳輸線。否則便 叫做不均勻傳輸線。均勻傳輸線的一次參數均勻地分 布於整個傳輸線上，其數值不隨考察點的位置而變化。
傳輸線在製造和建築過程中可能出現的偏差，都規定有必要的允許範圍。如果出現的不均勻性偏差不 超過這些規定，都可以看作是均勻傳輸線。
5.2 性能參數
通常用衰減係數、相移係數、特性阻抗，或與之相對應的其它參數來描述。其數值僅與傳輸線的結構、幾何尺寸、製造傳輸線使用的材料、工作波長(或工作頻率）有關，見表。
傳輸線的性能參數（舉例），如圖1
圖1 傳輸線的性能參數串擾
串擾（Crosstalk）也稱“交調干擾”，主要源自兩個相鄰導體之間所形成的互感與互容，如圖所示。串擾會隨著印製板的走線布局密度增加而變得越來越嚴重，尤其是長距離的`匯流排結構和頻率較高且強度較大的信號線，更容易發生串擾現象。這種現象是經由互感和互容這樣的寄生參數，將能量由一個傳輸線耦合到相鄰的傳輸線上而造成的，因此串擾實際上是一種典型的EMI問題。
串擾包括電容耦合和電感耦合，電容耦合（容性串擾）通常是因為走線位於另一走線上方或參考層上方。這種串擾在平行線之間的影響要小一些，兩條較長的布線之間會有相互電容效應。當其中一條線上的電壓發生變化時，在另一條線上就會產生容性串擾。即會出現一個小的正脈衝，如同電源電壓變化而誘發的；電感耦合（感性串擾）是由於布線的電感造成的天線效應及信號間的公共阻抗對不同迴路的影響。當一條導線的磁場在相鄰信號上感應出信號時，就會發生串擾現象。只要有開關電流引起的磁場，就會產生瞬時耦合電壓。通常，微帶線的串擾較帶狀線嚴重。
圖示
圖示根據串擾所發生的位置，可將串擾分為前向串擾和後向串擾。信號從源端傳輸到負載端，將發生前向串擾；如果信號被反射到源端，就會發生後向串擾。互容性耦合對前向串擾來說是正，而對後向串擾來說為負。在一般情況下，後向串擾對系統的影響要比前向串擾大。
串擾不僅會出現在時鐘或周期信號線上，同樣會出現在數據、地址、控制和LO走線中，因此必須儘量避免。串擾值與介電常數、線寬和間距有關。
為在PCB板中避免串擾現象的發生，推薦以下布線建議。
⑴ 提供正確的終端匹配阻抗，從而消除後向串擾。
⑵ 儘可能減小布線的長度。
⑶ 避免互相平行的走線布局，並保證走線間有一定的間隔，從而減小走線間的耦合。
⑷ 降低走線的阻抗和信號的驅動電平。
⑸ 儘量隔離時鐘及高速互連等EMI較差的信號。
⑹ 減小器件間的距離，器件布局合理。
⑺ 敏感的器件儘量遠離I/O互連線口、時鐘及易受數據干擾和耦合影響的區域。
