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，因此在使用時有時候需要一個叫做 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，其傳播方向與電場和磁場垂直。TEM波最主要的特征是電場和磁場都和傳輸方向垂直，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TE和TM模式，并存在截止頻率，但是這個結(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。

但是其結(jié)構(gòu)尺寸比較大，價格昂貴，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)時屬實(shí)引起了巨大的轟動。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。對于橫電波，只有電場與傳輸方向垂直，在傳輸方向上具有磁場分量。橫磁波則相反，磁場與傳輸方向垂直，電場具有縱向分量。

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，通常要注意這些高次模的影響。

比如在一個同軸腔體濾波器中，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。

我們在接下來的文章中，繼續(xù)分享一些利用這些傳輸線實(shí)現(xiàn)的微波器件。