导读波导为什么不能传递tem波~平面传输线用于在绝缘的平面基板上传输各种模拟、射频和数字信号，频率从千赫兹到数百兆赫不等。平面传输线由具备一条或多条平行金属迹线的单层或多层金属迹线构成。常见的平面传输线类型有：带状线、悬浮带状线、微带线、共面波导，槽线和像线，包括对应类型...

平面传输线用于在绝缘的平面基板上传输各种模拟、射频和数字信号，频率从千赫兹到数百兆赫不等。平面传输线由具备一条或多条平行金属迹线的单层或多层金属迹线构成。常见的平面传输线类型有：带状线、悬浮带状线、微带线、共面波导，槽线和像线，包括对应类型的一些变体。不同类型的平面传输线的主要传输模式、最大频率、特征阻抗范围和空载Q值也不同。

平面传输线的类型

带状线：置于电介质衬底中，介于两个接地面之间的“带状”导线。

悬浮带状线：一条悬置于接地面之间的带状线，气隙位于带状线的上方和下方。

微带线：在电介质衬底顶部的带状导线，并在基板下方具备接地面。

共面波导：两个接地面平行的带状导线，且在同一电介质衬底上置于带状体的两侧。

槽线：在电介质衬底的同一平面上隔离两条金属迹线的槽。

鳍线：槽线旋转+/- 90度插入矩形金属波导的E平面。

像线：在金属质平面上带有电介质的电介质平板波导。

通常来说，平面传输线的外部、顶部或底部迹线与内部迹线接地，作为信号迹线。这些物理结构促使了各种传输线模式的开发，即：横电磁（TEM）模、横电（TE）模、横磁（TM）模、准TEM模，纵截面电（LSE）模和纵截面磁（LSM）模，具体取决于平面传输线的配置。

平面传输线的电性取决于场力线在空气和衬底（电介质）中的分布情况，以及场力线与信号和接地迹线或金属层的耦合方式。

平面传输线的主导模式

带状线：横电磁（TEM）模

悬浮带状线：横电磁（TEM）模、准TEM模

微带线：准TEM模

共面波导：准TEM模

槽线：准TE模

鳍线：纵截面电（LSE）模、 纵截面磁（LSM）模

像线：横电（TE）模、横磁（TM）模

最大频率（典型值）

带状线：60 GHz（吉赫）

悬浮带状线：220 GHz

微带线：110 GHz

共面波导：110 GHz

槽线：110 GHz

鳍线：220 GHz

像线：>100 GHz

特性阻抗范围（衬底相对介电常数为10）

带状线：30 – 225 Ohm（欧姆）

悬浮带状线：40 – 150 Ohm

微带线：10 – 110 Ohm

共面波导：40 – 110 Ohm

槽线：35 – 250 Ohm

鳍线：10 – 400 Ohm

像线：~26 Ohm

空载Q值（衬底相对介电常数为10）

带状线：~400

悬浮带状线：600 @ 30 GHz

微带线：250 @ 30 GHz

共面波导：300 @ 30 GHz

槽线：200 @ 30 GHz

鳍线：550 @ 30 GHz

像线：2500 @ 30 GHz

带有“松散”场力线的平面传输线也可能与衬底上的金属层或附近的任何金属外壳或结构耦合。这可能会导致平面传输线出现额外的、所不希望的伪模式。因此，存在各种平面传输线类型及其变体，它们在信号迹线附近甚至完全围绕信号迹线使用紧密耦合的接地结构。尽管这些紧密耦合的传输线往往伴随较高的导体损耗，但它们同时也伴随着较低的辐射损耗、更好地抑制伪模式以及更高的频率性能。对更大的接地或屏蔽的权衡有：额外的成本、重量以及可能会增加衬底和金属层制造公差的性能灵敏度。

每种传输线类型及其变体的制造也存在多种多样的复杂性。例如，单层上只有表面迹线的平面传输线——比如标准共面波导或槽线等，与需要两层金属或接地共面波导、且通过其金属化通孔将表面接地迹线连接至地底层的微带线相比，可能成本更低，也更易于制造。

常见的带状线变体

悬浮带状线

双侧悬挂带状线

双导线

常见的微带线变体

悬浮微带

倒置微带

内置微带

限波倒置微带

常见的共面波导变体

底部接地或共底共面波导（GBCPW或CBCWG）

接地共面波导 (GCPW)

共面带

嵌入式共面带

常见的槽线变体

对立槽线

双侧槽线

常见的鳍线变体

单侧鳍线

双侧鳍线

对立鳍线

强耦合对立

绝缘

资源

Jarry，Pierre；Beneat，Jacques，《小型分形微波和射频滤波器的设计与实现》，Wiley，2009 ISBN 0-470-48781-X。

Edwards，Terry；Steer，Michael，《微带电路设计基础》，Wiley，2016 ISBN 1-118-93619-1

Wanhammar，Lars，《MATLAB模拟滤波器的运用》，Springer，2009 ISBN 0-387-92767-0

Rogers，John W M；Plett，Calvin，《射频集成电路设计》，Artech House，2010 ISBN 1-60783-980-6

Maloratsky，Leo， 《无源射频与微波集成电路》，Elsevier，2003 ISBN 0-08-049205-3

一文读懂微波通信

今天带大家了解一下微波通信，关于微波通信历史也比较悠久，自微波通信技术问世以来，作为微波频段信号通过地面视距信息传播的一种无线手段，经历了由模拟到数字的转变。

1.微波通信发展简史

1931年在英国多佛与法国加莱之间建起世界上第一条微波通信电路， 第二次世界大战后，微波接力通信得到迅速发展。

1947年，著名的美国贝尔实验室在纽约和波士顿之间，建立了世界上第一条模拟微波通信线路。1980年以前，模拟微波在通信中一直占据统治地位。1990年开始，数字微波技术发展迅猛。除了技术进步的原因以外，数字信号保持优良信噪比的长距离传输能力起到很关键的推动作用。

我国的微波通信研究启动比较晚，开始于60年代。与此同时，模拟微波逐渐被淘汰，人类逐渐进入了数字微波通信时代。我国最早的城市间的电视节目依靠的就是模拟微波传输信道传输的。70年代研制出中小容量数字微波设备，翻开了微波数字化改造的序幕。80年代后期，SDH数字微波研制成功，出现Nx155MB大容量数字微波系统。

80年代后期至本世纪初期，SDH在传输系统中占据统治地位，微波通信技术发展非常迅速，目前微波通信技术也和有线通信技术一样，进入了IP时代。

目前，虽然还是以光纤通信为主的有线传输占据主导，但是在一些特殊场景下，我们仍然离不开微波通信方式。例如偏远山区，布设有线传输难度太大或成本过高，又或者发生自然灾害、地震等，光纤传输遭到损坏。相对光纤通信来说，微波通信仍然具有很多无法替代的优势，例如成本低，抗灾害能力强等。

以上就是微波通信的发展简史及微波的，下面我们重点了解一下微波通信的相关技术。

2.微波通信几个基本概念

我们通常说有三大传输系统：光纤通信、微波通信、卫星通信。实际上，卫星通信也是微波通信的一种。通俗的讲电磁波通信，主要分为广播方式和点对点方式，微波通信属于点对点方式。

微波通信为什么要采用点对点方式？这主要是由微波的自身特性决定的。

大家应该都知道，微波的频率比较高，波长短，绕射能力很差，穿透力很差，在地表传输时，衰减很大，传输距离短。电磁波除了在地面沿空气传播之外，还可以利用天空中电离层反射的方式进行远距离传播。

但微波仍然无法利用这种方式。还是因为微波的频率太高，以至于电离层无法有效反射（只能穿透）。所以，微波传输几乎只能进行视距传输。什么是视距传输？就是发送天线和接收天线之间没有障碍物阻挡，可以相互“看见”的传输。

微波通信：微波是一种电磁波，微波射频为300MHz～3THz，是全部电磁波频谱的一个有限频段。微波一般称为厘米波。根据微波传播的特点，可视其为平面波。平面波沿传播方向是没有电场和磁场纵向分量的，所以称为横电磁波，记为TEM波。有时我们把这种电磁波简称为电波。

通俗的讲微波通信，是指使用微波（Microwave）作为载波，携带信息，进行中继通信的方式。微波，是频率范围300MHz~3THz的电磁波（1THz=1000GHz），也就是说，波长范围是1米~0.1毫米（光速=波长×频率）。

电波的干涉和极化

如上所示，微波通信电波的干涉取决于D1，D2，电波分为圆极化波、椭圆极化波、水平线极化波、垂直线极化波等。

矩形波导的场结构

H10模是波导中传输的电磁波主模，截至波长最长为2a，向左那样放置波导，它的电力线与地面垂直。所以这样的极化方式称垂直极化。

惠更斯-费涅耳原理

1.光和电磁波都是一种振动，一个点源的振动传递给邻近的质点后，就形成了二次波源、三次波源等等。

2.如果点源发出的波是球面波，那么由点源形成的二次波前面也是球面波、三次、四次...波前面也是球面波。

3.在微波通信中，当发信天线的尺寸远小于微波中继距离时，可将发射天线看成是一个点源。

自由空间传播损耗

在自由空间传播的电磁波不产生反射、折射、吸收和散射等现象，即总能量未被损耗。

但电波在自由空间传播时，会因能量向空间扩散而衰耗，这如空中一只孤独的灯泡所发出的光，均匀地向四周扩散；显然距离光源越远的地方，单位面积上的能量就越少。这种电波的扩散衰耗就称为自由空间损耗。

各种衰落及抗衰落技术

微波传播必须采用直射波，接收点的场强是直射空间波与地面反射波的迭加。传播介质是地面上的低空大气层和路由上的地面、地物，当时间（季节、昼夜等）和气象（雨、雾、雪待）条件发生变化时，大气的温度、温率、压力和地面反射点的位置、反射系数等也将发生变化。这必然引起接收点场强的高低起伏变化。这种现象，叫做电波传播的衰落现象。显然，衰落现象具有很大的随机性。衰落的大小仍由衰落因子VdB来表征，衰落的原因主要归结为大气和地面效应。

总的来说衰落主要分为快衰落和慢衰落，上衰落和下衰落，多径衰落和闪烁衰落，大气吸收衰落，雨衰等。

以上是微波传输过程中存在的衰落现象，下面说下微波的抗衰落技术。

方法一：利用某些地形、地物阻挡反射波

方法二：高低天线法

方法三：空间分集

当其中一面天线发生多径干扰时,另一面天线不会发生多径干扰.要求天线间的相关系数小,而塔又不可能造得很高,所以一般情况下,相关系数取0.5到0.6之间。

3.中继站

中继站主要分为有源和无源，其中有源分为再生中继、中频中继、射频中继；无源的分为背靠背天线，反射板。

有源中继站

射频直放站：

射频直放站是一种有源、双向、无频移射频中继系统。由于它直接在射频上将信号放大，所以称之为射频直放站

再生中继站：

再生中继站是一种高性能的高频率转发器。它可以用来扩大微波通信系统的距离限制，或者用来偏转传输方向，以绕过视线障碍物，不会引起信号质量恶化。接收的信号经过完全的再生和放大，然后转发。

有源中继站

无源中继站

双抛物面无源中继站 Parabolic reflectors：

由两个抛物面天线背对背地用一段波导管连接而组成

反射板式无源中继站 Plane reflectors：

一块表面具有一定的平滑度、且在适当的有效面积并相对于两通信点有合适的角度和距离的金属板，也是一个微波无源中继站。

无源中继站

4.总结

微波通信在实际过程中是相当复杂的，还有很多影响因素，比如对流层对微波的传输影响，地面反射对微波传输的影响，还有就是微波传输中的干扰（电路热噪声、物体热辐射噪声、宇宙干扰、天电干扰、工业干扰、电台干扰接收机内部所产生的各类干扰）等，限于篇幅，这里就不进行详细阐述了，最后希望这篇文章让大家更加深入的了解微波通信，感谢您的阅读。

纤维光学镊子：当光失去对称性时 它可以诱捕与容纳粒子

光镊子使用光来固定三维空间中小至一个原子的微观粒子。光学镊子的基本原理是光和被固定的物体之间的动量转移。很类似于水对阻挡水流的大坝的推力，光对物体的推力（也吸引它们）使光发生弯曲。这种所谓的光力可以被设计成指向空间的某一点，即粒子将被容纳的地方。

事实上，到目前为止，光学诱捕技术已经获得了两个诺贝尔奖，一个是1997年因保持和冷却单原子而获得的，第二个是2018年因为生物学家提供了研究单一生物大分子（如DNA和蛋白质）的工具而获得。

由中国华中科技大学庞元杰教授领导的研究人员在光纤光学镊子技术领域实现突破，他们现在已可在光纤的尖端操纵光和粒子。这种技术消除了对传统的、笨重的光学附件的要求，如显微镜物镜、透镜和反射镜。

他们的想法是，从一个完美的环形对称光模式开始，该模式只能在光纤中传输，不会通过光纤顶端泄漏到周围空间，并安排一个粒子来打破模式的对称性，从而将光散射到空间。这样，通过改变对称性和光的动量，粒子会收到一个反应力，将其固定在光纤顶端。研究人员预测了潜在的应用，例如通过在活体动物的内部使用纤维光学镊子作为内窥镜来进行体内单一生物粒子操纵实验。

这项题为"利用同轴纳米波导中的横向电磁（TEM）模式进行光学捕集"的工作被刊登在《光电子学前沿》的封面上。

了解更多：

https://link.springer.com/article/10.1007/s12200-021-1134-3