学校里学不到的射频波导窍门和知识

要想保证波导系统和波导互连能以最佳性能运行，有许多细微之处和易于遗忘的因素不能忽视。因此，要想在波导领域里纵横捭阖，必须掌握大量的专业知识。而且，由于很多技术依赖波导器件，尤其毫米波波导器件，因此高深的专业知识可以节省大量的时间和金钱。...



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对于许多微波和毫米波应用而言，射频波导是导向传输技术的首选。与同轴或微带传输线相比，波导互连和波导器件可提供更低的插入损耗及更佳的电压驻波比（VSWR）。此外，由于波导器件功率处理和热处理能力高、结构坚固，因此其还是航空航天、军事以及科技等需要高功率及高性能的应用领域的极为理想的器件。然而，要想保证波导系统和波导互连能以最佳性能运行，有许多细微之处和易于遗忘的因素不能忽视。因此，要想在波导领域里纵横捭阖，必须掌握大量的专业知识。而且，由于很多技术依赖波导器件，尤其毫米波波导器件，因此高深的专业知识可以节省大量的时间和金钱。

类型、导模和频率特性

圆形、椭圆或矩形封闭波导的导电壁可促进导模电磁波的传播。每种波导器件均具有数种不同的导模（图1），而且每种波导器件的导模频率特性方程式均不同。对于矩形波导而言，TE10导模因衰减程度最低，因此最为常用。此外，矩形波导也往往是波导部件和组件中最常使用的类型。然而，当布线距离较长时，常使用圆形或椭圆波导连接。虽然波导器件能以多模方式运行，但由于各种导模之间的相互作用，将使得信号完整性劣于每种单模下的信号完整性（例如，当高次模之间发生），因此这种方式并不理想。

波导频率下限为一个急性截止点，在该点上衰减程度随频率的下降指数级增大，从而使传输过程中断（表1）。大多数矩形波导的设计宽高比为2:1，从而可实现2:1的最大带宽比，即最高频率与最低频率的比为2:1。如此，波导器件即可承载微波击穿、介质击穿或次级电子倍增击穿发生前的最大功率。与此不同，圆形波导可传播的最大带宽比为1.3601:1，即最高单模频率与最低截止频率的比为1.3601:1。矩形波导的推荐工作频率为比截止频率高30%的频率以及比第二高次模截止频率低5%的频率。这些推荐值防止了在较低频率下发生频率分散，以及在较高频率下发生多模运行的情形。

即使当波导器件工作于上述推荐频率范围内，其整个带宽上的波群延迟和相位延迟也将占到光速的一个较大百分比（图2）。这与同轴传输线等TEM模传输线在工作频率下具有较为平坦的波群延迟不同。波群延迟内的非线性相位或大幅度变化可导致宽带宽雷达系统发生保真度误差，甚至导致宽带宽数字通信系统发生码间干扰。移相器等器件可用于对波导响应中的延迟、分量延迟和不等长布线进行校正。

当波导互连的长度较短时，插入损耗、相位延迟或VSWR将难以测量。短距离上的插入损耗和其他性能参数的值非常低，因此除了最高性能的矢量网络分析仪（VNA）之外，其他均将因超出测量能力而无法测量。这是因为上述插入损耗可仅为1dB的极小一部分，而其他VNA的动态范围可能不足以将其与噪声区分开来。

虽然波导器件一般都性能极高，但是有时同轴电缆布线反而更受青睐。例如，当需要发生多次插拔，或者布线较为紧密或复杂，或希望削减成本时，同轴电缆更为合适。在采用低噪声放大器（LNA）的系统中，可使用一段波导将射频能量从天线引入所述LNA的输入端，与此同时该LNA的输出端可与同轴端连接。这是因为LNA输入端上游发生的损耗对信噪比(SNR)和动态范围(DNR)影响最大。此外，高功率系统也可使用波导器件在输入和输出端传输高功率信号。总之，当对插入损耗和VSWR性能要求不高时，系统可同轴器件代替波导器件，以实现更低的成本。

电磁现象、趋肤效应和微波击穿

在某些频率和功率水平下，导体和电介质的电气和材料特性可发生改变并产生意想不到的效果。当微波频率较高时，将发生导体内电子朝表面迁移的现象，即所谓的趋肤效应（图3）。此外，如果功率水平太高，两导体之间的介质材料将离子化为导电材料，从而导致微波介质击穿。当产生趋肤效应时，随着波导器件内电磁波频率的增大，越来越多的电子朝波导器件内壁的表面迁移。由于导体内部的高频导电性比表面附近的高频导电性低，因此波导器件内壁对于波的传导比波导器件外壁更为重要。因此，趋肤效应是导体在高频下的损耗远大于其在低频下的损耗的重要原因。

对于非铁磁导体而言，其直流电阻比射频及微波频率下的电阻高出多倍。此外，对于镍、铁、钢等铁磁导体而言，磁导率越高，其交流电阻增幅越大。由于这些原因，常使用银和金等高导电性金属对波导器件内壁进行电镀——高频微波、高频毫米波以及高功率应用中尤其如此。仅在1 GHz的频率下，铜片内98%的电子就会迁入其表面附近数微米的区域内。在高频率的微波和毫米波下，大部分电子将迁入更小的区域，从而使得导体的表面条件极为重要。这表示，在一般情况下，最终形成于内壁上的镀层材料才是波导器件内对电磁传播有影响的唯一导电材料。因此，表面一致性和平滑度对于降低波导器件的总体射频损耗至关重要。

影响高频高功率系统的另一现象为电磁能诱发的波导器件导电壁之间的介质击穿，此现象可导致高能电弧。波导器件内产生的高能电弧又将导致极高功率的驻波，并产生有可能造成破坏的热量，或甚至剥去波导器件材料表面的金属镀层。导致微波击穿发生的功率阈值取决于介质特性、温度、导体间距离、频率以及波导器件内气体介质的压力。对于高功率波导滤波器而言，带包覆金属的滤波腔间距对于次级电子倍增击穿的防止也非常重要3（图4）。波导系统内可注入具有更高击穿特性的气体，以提高导致微波击穿发生的功率阈值。此外，波导系统组装后，有时还使用干燥气体去除湿气，以防止发生可降低微波击穿阈值的结露及高湿度。为实现此目的，可使用带入气阀和出气阀的特制法兰。

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