传输线结构的演变趣谈：从基础到前沿

传输线种类花样众多，如何从万千传输线中挑选最合适的类型，了解其传输模式，快速调整它的阻抗，是SI仿真的基本功之一。

微波信号最初在金属矩形波导中传输，矩形波导内部填充介质，再插入一颗“金属芯”，变成插芯波导，插芯波导由方变圆，形成圆形同轴线，再将同轴线进行各种拆分，比如劈掉上半部分变成了微带线（microstrip）、将外面的金属屏蔽层一分为二，即变成带状线（stripline）、或者直接掐头去尾，就变成GSG共面波导CPW，参考下图。
 

因此只需要了解传输线的老祖“同轴线”的特性，它的子孙如微带线、带状线、差分线的特性，自然就是小菜一碟。
 

撇开抽象的电磁波传播模式不谈，你只须知道，只有插芯波导可以传输TEM模，自然同轴线里面传输的也是TEM模，它的子孙因为血统不纯正，只能传输非正统的TEM模，也就是“准TEM”了，下面来看看正统的TEM是什么样的：
 

红色为电场E，蓝色为磁场H。
 

上面是从场的角度来认识同轴线，那么同轴线的特征阻抗又有啥变化规律呢？

真正的传输线特征阻抗计算公式是比较复杂的，对于做项目的人来说，没必要去掌握那些复杂的数学公式，简化的公式同样可以达到目的，如下图所示的简化公式，简单认为阻抗只跟电容有关系，而电容直接借用平行板电容的公式。

为什么只考虑电容呢？因为在高速信号领域，电感的理解比电容更难，存在多种电感的概念，比如：自感、互感、局部电感、回路电感，尤其是回路电感，这就涉及到信号路径和信号的返回路径概念，比较抽象，因此可以摒弃电感，只考虑电容对阻抗的影响。
 

电容的理解就很简单了，它是两个物体之间的固有属性，跟物体的尺寸和材料属性密切相关，根据公式可以知道，高介电常数的材料电容大，相对面积大，电容也大，间距大，电容就小。对于同轴，它的电容就是内导体和外导体之间的互容C11。
 

• 同轴内导体半径r1对电容和阻抗的影响

从上面的阐述可以知道，如果同轴的内导体半径r1在增大，它与外导体的相对面积就会增大，同时跟外导体的间距也会减小，这都将导致电容C11增大，自然同轴的特征阻抗就会变小，你可以用Q2D很轻松的完成这个验证，参考下面两图。

• 同轴外导体半径r2对电容和阻抗的影响

  如果同轴外导体半径r2增大，自然互容C11会减小，那么阻抗随之增大，参考下面两图：

• 总之，从互容的角度来调整阻抗是非常直观而且方便的，毋庸考虑抽象的电感的影响。

下面继续分析同轴线的第一个变种，微带线，它跟GND的互容可以直观展示如下：C=C11+C12+C13，其中C11可认为是正对GND plane的电容，C11和C13可当作是侧对GND plane的电容。其实C12和C13真正的物理概念是边缘场电容，为避免抽象的物理概念，我们简化为侧边对地电容。
 

• 同样可以借助Q2D进行分析，当线宽w1增大时： 类似于r1增大，对地的面积增大，电容C11增大，那么阻抗会降低，参考下面两图：

• 当介质厚度h1增大时：

• 当铜厚度t1增大时：

• 当然你也可以看看微带线中的准TEM模，因为动态图比较乱，就放静态图了。

两个小注意事项：

1. 与特征阻抗有关的RLGC，都指的是集总值，也就是单位长度的值，比如单位长度的电容pF/m，如果在Q2D中就是lumpd RLGC；
2. 要看传输线的空间电磁场分布，只可以在Q2D或者HFSS中，Q3D不支持空间场plot，因为Q3D里面没有辐射的概念，它仿真的是电小尺寸结构，也即是辐射效率超级超级低的结构。

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