微波傳輸線的發(fā)展

大家好，今天繼續(xù)我們的射頻入門課程。

在前面的學習中，我們首先學習了一下微波和電磁場的基礎——從麥克斯韋方程組（鏈接）到電磁波（鏈接，鏈接2）的發(fā)現(xiàn)。然后總結(jié)了射頻微波電路設計的基本思維——頻率思維（鏈接），場思維，阻抗思維（鏈接）以及諧振思維（鏈接）等，然后到我們現(xiàn)在正在學習的傳輸線（鏈接）部分，學習了微波射頻設計的一些基本概念，比如傳輸線方程（鏈接），反射（鏈接），駐波（鏈接）等，并且推到了史密斯圓圖的由來（鏈接）。今天我們開始進入到微波射頻器件的學習，終于從看不見摸不到的電磁波和理論進入到看的找摸得到的實體了。

圖 1 常見的微波傳輸線

上圖給出了一些最常用的微波傳輸線，有一些可能已經(jīng)很少用到，比如平行雙線。有一些可能已經(jīng)用了近百年，現(xiàn)在和將來還會繼續(xù)發(fā)光發(fā)熱，不可替代，當然更有一些新型的傳輸線被研發(fā)出來

這些微波傳輸線也見證了微波技術的發(fā)展。最早的微波傳輸線應該是平行雙線，上圖第一個傳輸線。平行雙線最早的應用尚沒有查到，但是看著赫茲第一次電磁波的實驗中就用到了類似雙線的裝置，然后馬可尼的無線發(fā)射器也應用到了類似雙線的裝置。這可能更來自于傳送電力的電線。

赫茲實驗

馬可尼無線發(fā)射器

后面很出現(xiàn)的很多傳輸線都是平行雙線的延伸和擴展，比如同軸線，相當于把平行雙線的一根線碾平，然后卷成筒，包住另一根線，目的是減少平行雙線的高頻泄露。后來為了平面化的應用，把同軸線的外筒一分兩半，展平成帶狀線；同時代又從平行雙線引出了微帶線。這些線都是具有最少兩個導體，具備平行雙線的部分性能，比如TEM傳播，又改善了平行雙線的一些缺點，但同時也犧牲了平行雙線的平衡性。這類線是從電路里面發(fā)展起來的。

還有一類應用也比較廣的微波傳輸線被稱為波導——引導電磁波的傳播，從名字不難看出，波導線來自于電磁波的空間概念，既然電磁波可以在空間中傳播，那么把這個空間封閉起來是不是就能夠引導它的傳播呢？在1893年的時候亥賽維就考慮過電磁波在封閉空管內(nèi)傳播的可能性，在1897年John Willam Struut在數(shù)學上證明了電磁波在波導中傳播的可行性，并推導出了波導中有無窮多個TE、TM模式，并且具有截止頻率，但是直到1936年波導才真正的被AT&T公司的 George C Southworth發(fā)明，后來被應用在雷達中，出現(xiàn)在第二次世界大戰(zhàn)的戰(zhàn)場上。

波導和同軸線的功率容量比較大，并且損耗也比較低，且同軸線具有非常寬的工作帶寬，便于在實驗中測試應用，但是制作微波器件比較復雜笨重，且無法和PCB板集成。所以后來人們又發(fā)明了平面?zhèn)鬏斁€，最早的平面?zhèn)鬏斁€應該是帶狀線，由R. Barrett 在 1950 年代發(fā)明的，最初的名字叫做Tri-plate，這個也好理解，剛好三層金屬層所以就叫三片唄。外國人起個名字都這么隨意。后來在1952年，美國ITT實驗室的Grieg 和 Engelmann發(fā)明了微帶線，作為帶狀線的競爭。但是在最開始階段，微帶線采用比較厚的介質(zhì)基板，突顯了非TEM模的特征，和比較嚴重的頻率色散，比帶狀線更不理想。直到十年后工藝用很薄的介質(zhì)基片時，微帶線才變得漂亮起來，也逐步稱為最流行的一款傳輸線。

在微帶線的發(fā)展中，出現(xiàn)了一個更為優(yōu)秀的傳輸線——共面波導，又叫做共面微帶傳輸線，如下圖所示，在介質(zhì)基片的一個面上制作出中心導體帶，并在緊鄰中心導體帶的兩側(cè)制作出導體平面，共面波導傳播的是TEM波，沒有截止頻率。由于中心導體與導體平板位于同一平面內(nèi)，因此，在共面波導上并聯(lián)安裝元器件很方便，用它可制成傳輸線及元件都在同一側(cè)的單片微波集成電路。共面波導是由Cheng P. Wen在1969年發(fā)明的，在微波的歷史中第一次出現(xiàn)了中國人的名字，盡管他當時在美國的RCA's Sarnoff 實驗室。論文名稱：Coplanar Waveguide: A Surface Strip Transmission Line Suitable for Nonreciprocal Gyromagnetic Device Applications。也可能是巧合，共面波導的英文縮寫和發(fā)明者的名字首字母是一樣的，CPW——Cheng P. Wen/ Coplanar waveguide.

今天介紹的最后一種微波傳輸線就是基片集成波導SIW，圖1中的最后一張圖，它是由東南大學中國國家重點毫米波實驗室學術委員會主任吳柯教授發(fā)明的。此前普遍使用的微帶開放電路損耗大，且封裝成本極高；而波導電路雖然損耗小，卻不能集成，又龐大笨重。吳柯將原來立體的非平面的電路平面化，使其既可以集成，性能又得到極大提高，則大為縮小。原來安裝在雷達上的桌子般大小的電路，現(xiàn)在則可以做成像盤子一樣大小了，性能高而體積小，所以飛機雷達都采用它。這是一個革命性的變化。吳柯于上世紀90年代最早提出這一設想，至今這一革命性的創(chuàng)造——基片集成電路已在世界上得到廣泛開發(fā)和應用。此項成果獲得了國際電子電氣工程師協(xié)會的嘉獎。2011年11月，世界權(quán)威的《微波雜志》將這一創(chuàng)造發(fā)明列在10大可改變未來的創(chuàng)造發(fā)明的首位，吳柯的頭像上了雜志的封面，同愛因斯坦等多位世界大科學家的頭像排在一起。他和他的合作者們發(fā)表的2篇有關論文至今仍然保持著2個國際著名學術刊物 IEEE-MWCL和IET- MAP 創(chuàng)刊以來的最高引用紀錄。

論文：Integrated microstrip and rectangular waveguide in planar form

微波傳輸線是構(gòu)成微波電路系統(tǒng)的關鍵，，尤其是對于微波無源器件，基本上就是由傳輸線結(jié)構(gòu)構(gòu)成的。在微波傳輸線這一章節(jié)中，我們會重點學習一些常用微波傳輸線的特征，為后面的微波無源器件的設計打好基礎。