關(guān)于微波傳輸線，這篇文章講透了！

當(dāng)赫茲把麥克斯韋推算出的電磁波在實(shí)驗(yàn)中證實(shí)之后，如何來傳導(dǎo)電磁波就成了射頻人的研究重點(diǎn)。

電磁波的傳輸線主要分為兩大類：一類是通過路的理論發(fā)展而來的雙導(dǎo)體傳輸線，包括：平行雙線，同軸線，微帶線，帶狀線等等；另一類是由波的理論發(fā)展而來的波導(dǎo)傳輸線，包括矩形波導(dǎo)，圓波導(dǎo)，介質(zhì)波導(dǎo)，脊波導(dǎo)，基片集成波導(dǎo)等。

No.1?雙/多導(dǎo)體傳輸線

基于電磁波和電壓/電流的關(guān)系，毫無意外，平行雙線成了第一個(gè)用于電磁波的傳輸線。但是隨著頻率的升高，電磁波和電壓電流的區(qū)別也越來越大，開放的平行雙線已經(jīng)不能夠把活躍的電磁波束縛住，為了解決平行雙線的泄露損耗，早期的射頻工程師通過把平行雙線中的一根延展開來，從而包裹住另一根，形成一個(gè)封閉結(jié)構(gòu)，進(jìn)而解決了電磁波能量的的泄露，這就出現(xiàn)了同軸傳輸線。

同軸線由于其超高的工作帶寬，從DC一直到很高的頻率都可以傳輸，因此幾乎完全替代了平行雙線。以至于我們今天的射頻工程師在實(shí)際工作中很少能見到這種最早的電磁波傳輸線。

在同軸線的基礎(chǔ)上，為了更好的和PCB集成，一個(gè)圓形的同軸線拍扁出現(xiàn)了帶狀線，ITT實(shí)驗(yàn)室為了搞出來更像PCB的傳輸線，直接把帶狀線的上蓋給揭了，就有了我們現(xiàn)在最常用的微帶線。

低頻段的電磁波資源早已被消耗完，所以平行雙線的使命除了在教科書上分析傳輸線的路模型的時(shí)候用到，實(shí)際上幾乎不用了，而由其發(fā)展而來的同軸線，帶狀線和微帶線成了應(yīng)用最為廣泛的電磁波傳輸線。

集成化程度越來越高，應(yīng)用也越來越簡(jiǎn)便，便宜。同軸線解決了平行雙線的高頻泄漏損耗，但是傳輸線的平衡性遭到了破壞，因此在使用時(shí)有時(shí)候需要一個(gè)叫做 Balun 來彌補(bǔ)不平衡帶來的危害。帶狀線把同軸線帶到了平面時(shí)代，但是其金屬損耗和功率容量受到了影響；微帶線更是實(shí)現(xiàn)了電路板高頻與低頻的統(tǒng)一，但是其輻射損耗又成了痛點(diǎn)。

這種雙導(dǎo)體傳輸線的主模是TEM波，即橫電磁波，其傳播方向與電場(chǎng)和磁場(chǎng)垂直。TEM波最主要的特征是電場(chǎng)和磁場(chǎng)都和傳輸方向垂直，沒有縱向分量，其電壓，電流和特征阻抗的定義是唯一的。TEM波傳輸線的主要特征是必須有兩個(gè)或者更多的導(dǎo)體。

No.2?單導(dǎo)體傳輸線

既然電磁波是一種波，而且這種波的傳播不需要任何介質(zhì)，那是不是可以把挖一條河，像引水一樣引導(dǎo)它？電磁波能不能在一根管子里面?zhèn)鞑ツ兀?/p>

1893年的時(shí)候，亥維塞就考慮過電磁波在封閉的空管內(nèi)傳播的可能性，但是后來還是放棄了，因?yàn)樗€是覺得一定要用兩根導(dǎo)線來傳輸電磁能量。1897年，John William Strutt在數(shù)學(xué)上證明了波在波導(dǎo)中傳播的可能性，并且和波導(dǎo)的橫截面無關(guān)，并且波導(dǎo)中存在著多個(gè)TE和TM模式，并存在截止頻率，但是這個(gè)結(jié)果并沒有實(shí)驗(yàn)證明。但是直到1936年波導(dǎo)才真正的被AT&T公司的?George C Southworth發(fā)明，后來被應(yīng)用在雷達(dá)中，出現(xiàn)在第二次世界大戰(zhàn)的戰(zhàn)場(chǎng)上。

這種管狀結(jié)構(gòu)也許才是電磁波的真正傳輸線，正好詮釋了電磁波的空間概念，只是這個(gè)管就是人為制造的可以束縛住電磁波的空間。并且波導(dǎo)在功率容量和損耗方面相比同軸線都有著巨大的優(yōu)勢(shì)。

但是其結(jié)構(gòu)尺寸比較大，價(jià)格昂貴，更難與電路進(jìn)行集成。在實(shí)際產(chǎn)品設(shè)計(jì)中，波導(dǎo)的應(yīng)用受到了一定程度的限制。

為了更好的和PCB進(jìn)行集成，從而又保留波導(dǎo)的高Q，低損耗的特性，射頻人進(jìn)行了很多的研究創(chuàng)造，比如把空心波導(dǎo)加載高介電常數(shù)的介質(zhì)，來減小波導(dǎo)的體積，做出了介質(zhì)波導(dǎo)傳輸線。

直到2001年的時(shí)候，吳柯教授利用PCB加周期性過孔的方式實(shí)現(xiàn)矩形波導(dǎo)的傳輸特性，并實(shí)現(xiàn)了微帶線和這種形式的矩形波導(dǎo)的過渡設(shè)計(jì)。這種新型的可以和PCB完全集成的波導(dǎo)才出現(xiàn)在射頻設(shè)計(jì)中。這種集成式波導(dǎo)就是基片集成波導(dǎo)SIW。

這種把矩形波導(dǎo)拍扁然后金屬壁利用過孔來實(shí)現(xiàn)的方式，現(xiàn)在看起來也不是多么神奇，但是在當(dāng)時(shí)屬實(shí)引起了巨大的轟動(dòng)。吳柯教授的這篇文章不足三頁的論文，到目前被引用量已經(jīng)超過1624次。吳柯教授也是第一位當(dāng)選MTT-S主席的華人。并且SIW至今仍然是射頻微波領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一。

這篇論文的地址如下：https://ieeexplore.ieee.org/document/914305/references#references

對(duì)于這種單導(dǎo)體構(gòu)成的電磁波傳輸線，只支持橫電TE波和橫磁TM波的傳播。對(duì)于橫電波，只有電場(chǎng)與傳輸方向垂直，在傳輸方向上具有磁場(chǎng)分量。橫磁波則相反，磁場(chǎng)與傳輸方向垂直，電場(chǎng)具有縱向分量。

下圖是波導(dǎo)魔T的波傳輸。

橫電波和橫磁波是不是也只能存在于單導(dǎo)體中呢？答案是否定的。這兩種波的生存能力太強(qiáng)了，既可以在單導(dǎo)體波導(dǎo)中存在，也可以在雙導(dǎo)體/多導(dǎo)體傳輸線中存在。

比如同軸線的主模是TEM波，但是其也能傳輸TE波和TM波，這些TE/TM就是同軸線的高次模，在利用同軸線結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)一些微波功能時(shí)，通常要注意這些高次模的影響。

比如在一個(gè)同軸腔體濾波器中，其高次模即包括通州諧振器自己的倍頻諧振，也包括波導(dǎo)模式諧振；又比如在常用的同軸傳輸線和同軸接頭中，為了閉面高次模的影響，同軸接頭的尺寸設(shè)置了上限，其工作頻率越高，同軸線的尺寸就越小。

下圖是同軸線橫截面TEM 模和 TE11 模的場(chǎng)圖。

當(dāng)電磁波跑到了空間，射頻設(shè)計(jì)也就變成了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，許多的射頻器件本質(zhì)上就是設(shè)計(jì)各種各樣的結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)控制電磁波傳播功能，比如耦合，功分，濾波，隔離，合路等等，甚至天線發(fā)射。而這些微波器件都是基于微波傳輸線的實(shí)現(xiàn)的。

我們?cè)诮酉聛淼奈恼轮校^續(xù)分享一些利用這些傳輸線實(shí)現(xiàn)的微波器件。