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(xué)習(xí)中，我們首先學(xué)習(xí)了一下微波和電磁場的基礎(chǔ)——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(shè)計(jì)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(xué)習(xí)的傳輸線（鏈接）部分，學(xué)習(xí)了微波射頻設(shè)計(jì)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(jìn)入到微波射頻器件的學(xué)習(xí)，終于從看不見摸不到的電磁波和理論進(jìn)入到看的找摸得到的實(shí)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(huì)繼續(xù)發(fā)光發(fā)熱，不可替代，當(dāng)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(shù)的發(fā)展。最早的微波傳輸線應(yīng)該是平行雙線，上圖第一個(gè)傳輸線。平行雙線最早的應(yīng)用尚沒有查到，但是看著赫茲第一次電磁波的實(shí)驗(yàn)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(yīng)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(shí)驗(yàn)

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(kuò)展，比如同軸線，相當(dāng)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(yīng)用，把同軸線的外筒一分兩半，展平成帶狀線；同時(shí)代又從平行雙線引出了微帶線。這些線都是具有最少兩個(gè)導(dǎo)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(diǎn)，但同時(shí)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(yīng)用也比較廣的微波傳輸線被稱為波導(dǎo)——引導(dǎo)電磁波的傳播，從名字不難看出，波導(dǎo)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(gè)空間封閉起來是不是就能夠引導(dǎo)它的傳播呢？在1893年的時(shí)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(xué)上證明了電磁波在波導(dǎo)中傳播的可行性，并推導(dǎo)出了波導(dǎo)中有無窮多個(gè)TE、TM模式，并且具有截止頻率，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。

波導(dǎo)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(shí)驗(yàn)中測試應(yīng)用，但是制作微波器件比較復(fù)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(yīng)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(gè)也好理解，剛好三層金屬層所以就叫三片唄。外國人起個(gè)名字都這么隨意。后來在1952年，美國ITT實(shí)驗(yàn)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(yán)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(shí)，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(gè)更為優(yōu)秀的傳輸線——共面波導(dǎo)，又叫做共面微帶傳輸線，如下圖所示，在介質(zhì)基片的一個(gè)面上制作出中心導(dǎo)體帶，并在緊鄰中心導(dǎo)體帶的兩側(cè)制作出導(dǎo)體平面，共面波導(dǎo)傳播的是TEM波，沒有截止頻率。由于中心導(dǎo)體與導(dǎo)體平板位于同一平面內(nèi)，因此，在共面波導(dǎo)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(dǎo)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(dāng)時(shí)在美國的RCA's Sarnoff 實(shí)驗(yàn)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(dǎo)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(dǎo)SIW，圖1中的最后一張圖，它是由東南大學(xué)中國國家重點(diǎn)毫米波實(shí)驗(yàn)室學(xué)術(shù)委員會(huì)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(dǎo)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(dá)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(jī)雷達(dá)都采用它。這是一個(gè)革命性的變化。吳柯于上世紀(jì)90年代最早提出這一設(shè)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(yīng)用。此項(xiàng)成果獲得了國際電子電氣工程師協(xié)會(huì)的嘉獎(jiǎng)。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(xué)家的頭像排在一起。他和他的合作者們發(fā)表的2篇有關(guān)論文至今仍然保持著2個(gè)國際著名學(xué)術(shù)刊物 IEEE-MWCL和IET- MAP 創(chuàng)刊以來的最高引用紀(jì)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(guān)鍵，，尤其是對(duì)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(huì)重點(diǎn)學(xué)習(xí)一些常用微波傳輸線的特征，為后面的微波無源器件的設(shè)計(jì)打好基礎(chǔ)。