电磁场对传输线的耦合计算是电磁兼容领域的一个重要研究课题。一方面，电子产品的工作频率不断增加；另一方面，具有更高频率成分的干扰源不断出现（如高功率微波和超宽带系统）。在很多应用场合，传输线近似这一基本假定变得不再适用。近10年来，考虑高频效果的广义传输线理论成为电磁兼容领域的一个重要研究主题。这个方面多年的成果形成了“广义”或“全波”传输线理论，这一理论包含了高频辐射效应，但又保持有传输线方程相对简单的形式。

本书内容包括了经典的传输线理论，以及最近的研究新进展，特别是在考虑高频效应方面。可供对传输线理论和电磁场与传输线相互作用感兴趣的研究生、理论研究工作者和工程师参考使用。本书内容分7章，包括两个主要部分：  第一部分给出了经典的传输线理论知识和不同的场-线耦合模型；第二部分介绍了为包含高频辐射效应而发展的几种广义传输线理论方法。

建议初读本书的读者按照章节顺序阅读，不过为了方便读者，本书也尽可能地让每章的内容相互独立。因此，对某一特定主题感兴趣的读者也可以直接阅读相关章节。

电磁场对传输线的耦合计算是电磁兼容中的一个重要课题。通常情况是应用传输线（TL）近似理论来求解横向尺度Antonio Orlandi,Associate Editor

满足电小条件的均匀传输线，其传播模式主要是横电磁（TEM）模。这种经典的TL理论无法处理高频时出现的天线模式和更高阶模式。

自从TL理论出现和推导出电报员方程以来，在理解传输线上的波传播现象方面已经取得了巨大进展。1965年，Taylor, Satterwhite和Harrison扩展了经典的TL方程，把外界电磁场的影响考虑进去。他们给出的场-线耦合方程，以及后来推导给出的等价形式，早已经得到成功应用，解决了电磁脉冲和雷电对电力线和电信线缆耦合作用方面的大量问题。

随着电子产品工作频率的提高以及各种具有更高频率成分干扰源（如高功率微波和超宽带系统）的不断出现，在大量新的实际应用中，TL近似的基本假定条件已经不能得到满足。在过去的大约10年间，把传输线理论推广以能考虑靠高频效应已成为电磁兼容的一项重要研究领域。这些工作的结果是形成了“广义”或“全波”TL理论，既能考虑到高频辐射效应的影响，又同时保持了TL方程相对简单的形式。

本书达到了两个主要意图：  一是涵盖了经典的传输线（TL）理论及其最新进展，提供了从高压线到纳米互联线的应用例子。二是大量实际应用的例子。这些例子可以作为概念上的工具来引导读者到相应的技术结论或者表明提出的解如何对整个系统的影响。

本书有两个部分共7章。每一章都包含几个例子来说明这些概念，其中一些可以作为基准来计算现有TL商用工具的精确度和速度。

第1章讨论了TL理论的假定条件，给出了场-线耦合方程的推导过程。给出并讨论了三种形式不同但完全等价的方法，包括Taylor, Satterwhite, Harrison模型，Agrawal, Price, Gurbaxani模型和Rachidi模型。这些比较非常具有指导意义，也是本书的亮点之一。本章也分别在时域和频域给出了多导体传输线（MTL) 的扩展形式。

第2章和第3章分别针对架空多导体传输线和埋地电缆这些具体情况，讨论分析了各种影响多导体传输线系统脉冲传播和串扰的因素，给出了计算纵向和横向导线参数的方法。

第二部分给出了推广TL理论的几种不同方法，以把高频效应包含进去。

第4章中，在细线近似条件下，推导给出了用于计算外界电磁场对良纯导体地面上架空线感应电流和电势的类TL方程组。基于微扰理论，提出了求解耦合方程组的迭代方法，其零阶项由经典TL近似理论计算得到。

第5章给出了一种高效的混合方法来计算高频电磁场对含有集总不连续点的带负载长导线的耦合。

第6章表明经典的TL理论可以基于广义全波问题的积分形式而包含更广的模型。推导给出的广义模型既可以用于传统的高速微电子电路，也可以用于纳米电子学领域。

第7章具体针对高频电磁场对埋地导线的耦合。提出并讨论了基于Pocklington积分方程的频域方法和使用Hallen积分方程的时域方法。

本书对于研究生和对传输线理论、电磁场对传输线作用特别是高频效应方面的专业研究工作者非常有用。序

电磁场与传输线的耦合计算是电磁兼容领域的一个重要问题。通常，人们使用传输线（TL）近似理论来求解横向尺度满足电小条件的均匀传输线，此时传输线上的传播模式主要是横电磁（TEM）模。但这种经典的TL理论无法处理高频时出现的天线模式和更高阶模式。

自从TL理论出现和19世纪晚期Oliver Heaviside推导出电报员方程以来，在理解传输线上的波传播现象方面取得了显著进展。1965年，Taylor, Satterwhite和Harrison扩展了经典TL方程，把外界电磁场的影响考虑进去，他们给出的场-传输线耦合方程，以及后人陆续推导给出的等价形式，早已成功应用于求解大量有关电磁脉冲（EMP）和雷电与电力、通信线缆的相互作用问题。

目前，由于电子产品的工作频率不断提高，加之具有更高频率分量的干扰源不断出现（如高功率微波和超宽带系统），使得在很多应用场合下TL近似这一基本假定不再成立。在过去的十多年里，考虑高频效应的广义传输线理论成为电磁兼容领域的一个重要研究主题。这个方面的成果形成了通常称作的“广义”或“全波”TL理论，这一理论包含了高频辐射效应，但又保持了TL方程相对简单的形式。

本书内容既有经典传输线理论，又包括了最近的研究进展，特别是在高频效应方面的研究结果，可供对传输线理论和电磁场与传输线相互作用感兴趣的研究生、理论工作者和工程师参考使用。本书在内容组织上包括两部分，共7章。

第一部分给出了经典的传输线理论知识和不同的场-传输线耦合模型。

第1章讨论了TL理论的近似条件，推导给出了场-传输线耦合方程。本章也给出了描述电磁场与传输线耦合的三种形式不同但完全等效的方法，并进行了讨论。第2章和第3章分别针对架空多导体传输线和埋地电缆这些具体情况，讨论分析了影响多导体传输线系统脉冲传播和串扰的各种因素，给出了计算纵向和横向导线参数的方法。

第二部分给出了几种最近发展的可以包括高频效应的广义TL理论方法。

第4章中，在细线近似条件下，推导给出了用于计算外界电磁场对良纯导体地面上架空线感应电流和电势的类似TL方程组。基于微扰理论，提出了求解耦合方程组的迭代方法，其零阶项由经典TL近似理论计算得到。第5章给出了一种高效的混合方法，用于高频电磁场与含集总不连续点的带负载长导线的耦合计算。第6章表明基于广义全波问题的积分公式，经典TL理论可以包含于更通用的广义模型中。本章给出的广义模型既可以用于传统的高速微电子电路，也可以用于纳米电子学领域。第7章具体针对高频电磁场对埋地导线的耦合，提出并讨论了基于Pocklington积分方程的频域方法和使用Hallen积分方程的时域方法。

建议读者按照章节顺序阅读本书，不过为了方便读者，本书也尽可能地使每一章内容相互独立。因此，对某一特定主题感兴趣的读者亦可直接阅读相关章节。

本书是作者在电磁场与传输线相互作用研究领域多年努力的结果。作者得到许多人士的支持、建议和指导，在此表示感谢。并对Michel Ianoz、Juergen Nitsch和Fred M. Tesche以及各章作者的宝贵贡献表示特别感谢。

法哈德·拉奇迪谢尔盖·特卡琴科

第一部分 经典传输线理论

第1章 电报员方程和场-传输线耦合作用方程的推导3

1.1 传输线(TL)近似3

1.2 良纯导体地面上的单根导线4

1.2.1 Taylor,Satterwhite & Harrison模型5

1.2.2 Agrawal,Price & Gurbaxani模型8

1.2.3 Rachidi模型9

1.3 不同电磁场分量的贡献10

1.4 包含损耗10

1.5 多导体传输线的情形12

1.6 耦合方程的时域表征13

1.7 频域解14

1.7.1 格林函数14

1.7.2 BLT方程15

1.8 时域解16

1.9 小结16

参考文献17

第2章 架空多导体传输线的浪涌传播和串扰19

2.1 引言19

2.2 MTL系统的电报员或传输线方程20

2.2.1 导线内部阻抗的表示22

2.2.2 有限电导率地面上的导线外部阻抗和导纳22

2.2.3 单位长传输线的完整表述和每个传输线参数的灵敏度302.2.4 架空导线的时域传输线方程32

2.3 传输线方程的时域数值解35

2.3.1 时域有限差分方法35

2.3.2 MTL系统的频域解39

2.3.3 直接频域解和FDTD方法的比较40

2.4 系统中的串扰42

2.4.1 弱耦合条件下电小尺寸导线的串扰42

2.4.2 强耦合条件下的串扰52

2.5 小结56

致谢56

参考文献57

第3章 地下多导体传输线的浪涌传播61

3.1 引言61

3.2 埋地导线的电报员或传输线方程62

3.2.1 埋地导线的地阻抗64

3.2.2 埋地导线的地导纳67

3.3 埋地导线传输线近似的限制条件70

3.4 通过电缆屏蔽层对电缆芯线的耦合72

3.4.1 一般性的双屏蔽三芯电缆73

3.4.2 RG-58电缆的例子78

3.4.3 耦合现象中屏蔽层厚度的影响80

3.4.4 求取电缆内导体电感和电容矩阵元素的

一种简便测量方法82

3.5 其他一些导线几何位置的地阻抗例子84

3.5.1 地表导线的阻抗84

3.5.2 架空导线和地下导线之间的互阻抗85

3.6 一些例子85

3.6.1 裸导线和绝缘导线上脉冲传播的时域仿真85

3.6.2 一个实际的串扰问题87

3.7 小结91

致谢91

参考文献91

第二部分 改进的传输线理论

第4章 对传输线的高频电磁耦合: 传输线近似的电动力学修正974.1 引言97

4.2 高频电磁场对良导体地面上架空直导线的耦合98

4.2.1 对有限长细导线的类TL形式的电场积分

方程(EFIE)推导98

4.2.2 频域耦合方程的迭代解102

4.2.3 平面波对无限长导线的耦合: 确定解和迭代解103

4.2.4 对半无限长开路导线反射系数的修正106

4.2.5 有限长直导线耦合方程的时域迭代解109

4.2.6 有限长导线求解步骤收敛性讨论111

4.3 高频电流波在导线弯曲段的传播115

4.3.1 问题描述115

4.3.2 导线弯曲段的描述: 电场积分方程的推导115

4.3.3 电场积分方程的迭代解119

4.3.4 所提出方法的验证120

4.3.5 辐射功率122

4.4 小结124

参考文献124

第5章 高频电磁场对带负载的非均匀长导线的耦合: 渐近方法127

5.1 简介127

5.2 高频电磁场对带负载长导线的耦合128

5.2.1 渐近方法128

5.2.2 本章提出的导线渐近区感应电流三项表达式

计算方法的精确度134

5.2.3 应用: 带负载的长导线对外界平面波的响应135

5.3 非均匀传输线的渐近方法139

5.4 小结143

附录A 用系数I1和I2来计算系数R+, R_, C+, C_143

附录B 用第4章给出的迭代方法推导半无限长开路导线的

系数C+和C-的解析表达式144

附录C 含有集总阻抗导线的渐近区域里感应电流的解析表达式147

参考文献148

第6章 常规高速互连线和金属碳纳米管互连线的传输线模型151

6.1 引言及历史背景151

6.2 广义积分公式和传输线模型的推导154

6.2.1 积分公式154

6.2.2 传输线方程155

6.3 常规导线的传输线模型158

6.3.1 圆柱形对线158

6.3.2 耦合微带线159

6.4 CNT互连线的传输线模型162

6.4.1 CNT流体模型162

6.4.2 地平面之上SWCNT的传输线模型164

6.5 例子及应用165

6.5.1 有限长度和临近效应165

6.5.2 高频损耗168

6.5.3 高频串扰和模式转换171

6.5.4 CNT和铜互连线在纳米电子学应用中的比较172

6.6 小结176

致谢176

参考文献177

第7章 电磁场对埋地导线的耦合: 频域和时域分析180

7.1 引言180

7.2 频域方法181

7.2.1 频域公式方法182

7.2.2 微积分方程的数值解184

7.2.3 瞬态响应的计算186

7.2.4 数值结果187

7.3 时域方法188

7.3.1 时域公式189

7.3.2 时域能量量度(Time domain energy measures)194

7.3.3 时域数值解步骤195

7.3.4 利用简化反射/传输系数的另一种时域求解公式197

7.3.5 算例198

参考文献206

译者后记209