关于微波传输线，这篇文章讲透了！

当赫兹把麦克斯韦推算出的电磁波在实验中证实之后，如何来传导电磁波就成了射频人的研究重点。

电磁波的传输线主要分为两大类：一类是通过路的理论发展而来的双导体传输线，包括：平行双线，同轴线，微带线，带状线等等；另一类是由波的理论发展而来的波导传输线，包括矩形波导，圆波导，介质波导，脊波导，基片集成波导等。

No.1 双/多导体传输线

基于电磁波和电压/电流的关系，毫无意外，平行双线成了第一个用于电磁波的传输线。但是随着频率的升高，电磁波和电压电流的区别也越来越大，开放的平行双线已经不能够把活跃的电磁波束缚住，为了解决平行双线的泄露损耗，早期的射频工程师通过把平行双线中的一根延展开来，从而包裹住另一根，形成一个封闭结构，进而解决了电磁波能量的的泄露，这就出现了同轴传输线。

同轴线由于其超高的工作带宽，从DC一直到很高的频率都可以传输，因此几乎完全替代了平行双线。以至于我们今天的射频工程师在实际工作中很少能见到这种最早的电磁波传输线。

在同轴线的基础上，为了更好的和PCB集成，一个圆形的同轴线拍扁出现了带状线，ITT实验室为了搞出来更像PCB的传输线，直接把带状线的上盖给揭了，就有了我们现在最常用的微带线。

低频段的电磁波资源早已被消耗完，所以平行双线的使命除了在教科书上分析传输线的路模型的时候用到，实际上几乎不用了，而由其发展而来的同轴线，带状线和微带线成了应用最为广泛的电磁波传输线。

集成化程度越来越高，应用也越来越简便，便宜。同轴线解决了平行双线的高频泄漏损耗，但是传输线的平衡性遭到了破坏，因此在使用时有时候需要一个叫做 Balun 来弥补不平衡带来的危害。带状线把同轴线带到了平面时代，但是其金属损耗和功率容量受到了影响；微带线更是实现了电路板高频与低频的统一，但是其辐射损耗又成了痛点。

这种双导体传输线的主模是TEM波，即横电磁波，其传播方向与电场和磁场垂直。TEM波最主要的特征是电场和磁场都和传输方向垂直，没有纵向分量，其电压，电流和特征阻抗的定义是唯一的。TEM波传输线的主要特征是必须有两个或者更多的导体。

No.2 单导体传输线

既然电磁波是一种波，而且这种波的传播不需要任何介质，那是不是可以把挖一条河，像引水一样引导它？电磁波能不能在一根管子里面传播呢？

1893年的时候，亥维塞就考虑过电磁波在封闭的空管内传播的可能性，但是后来还是放弃了，因为他还是觉得一定要用两根导线来传输电磁能量。1897年，John William Strutt在数学上证明了波在波导中传播的可能性，并且和波导的横截面无关，并且波导中存在着多个TE和TM模式，并存在截止频率，但是这个结果并没有实验证明。但是直到1936年波导才真正的被AT&T公司的 George C Southworth发明，后来被应用在雷达中，出现在第二次世界大战的战场上。

这种管状结构也许才是电磁波的真正传输线，正好诠释了电磁波的空间概念，只是这个管就是人为制造的可以束缚住电磁波的空间。并且波导在功率容量和损耗方面相比同轴线都有着巨大的优势。

但是其结构尺寸比较大，价格昂贵，更难与电路进行集成。在实际产品设计中，波导的应用受到了一定程度的限制。

为了更好的和PCB进行集成，从而又保留波导的高Q，低损耗的特性，射频人进行了很多的研究创造，比如把空心波导加载高介电常数的介质，来减小波导的体积，做出了介质波导传输线。

直到2001年的时候，吴柯教授利用PCB加周期性过孔的方式实现矩形波导的传输特性，并实现了微带线和这种形式的矩形波导的过渡设计。这种新型的可以和PCB完全集成的波导才出现在射频设计中。这种集成式波导就是基片集成波导SIW。

这种把矩形波导拍扁然后金属壁利用过孔来实现的方式，现在看起来也不是多么神奇，但是在当时属实引起了巨大的轰动。吴柯教授的这篇文章不足三页的论文，到目前被引用量已经超过1624次。吴柯教授也是第一位当选MTT-S主席的华人。并且SIW至今仍然是射频微波领域的研究热点之一。

这篇论文的地址如下：https://ieeexplore.ieee.org/document/914305/references#references

对于这种单导体构成的电磁波传输线，只支持横电TE波和横磁TM波的传播。对于横电波，只有电场与传输方向垂直，在传输方向上具有磁场分量。横磁波则相反，磁场与传输方向垂直，电场具有纵向分量。

下图是波导魔T的波传输。

横电波和横磁波是不是也只能存在于单导体中呢？答案是否定的。这两种波的生存能力太强了，既可以在单导体波导中存在，也可以在双导体/多导体传输线中存在。

比如同轴线的主模是TEM波，但是其也能传输TE波和TM波，这些TE/TM就是同轴线的高次模，在利用同轴线结构实现一些微波功能时，通常要注意这些高次模的影响。

比如在一个同轴腔体滤波器中，其高次模即包括通州谐振器自己的倍频谐振，也包括波导模式谐振；又比如在常用的同轴传输线和同轴接头中，为了闭面高次模的影响，同轴接头的尺寸设置了上限，其工作频率越高，同轴线的尺寸就越小。

下图是同轴线横截面TEM 模和 TE11 模的场图。

当电磁波跑到了空间，射频设计也就变成了结构设计，许多的射频器件本质上就是设计各种各样的结构来实现控制电磁波传播功能，比如耦合，功分，滤波，隔离，合路等等，甚至天线发射。而这些微波器件都是基于微波传输线的实现的。

我们在接下来的文章中，继续分享一些利用这些传输线实现的微波器件。