首先我们要明白一点:"当传输通道不连续时,就一定会发生传输模态的变化。"
01
模态转换实例
再拿微带线经过过孔传输的例子来进行说明。
第一阶段:当信号在Area1的微带线上传输时,传输模态为准TEM模态。
第二阶段:当信号经过过孔时信号的传输方向由水平转到垂直方向。也就是在Area1和Area2之间的区域,信号的传输通道已经由微带线转换到过孔上,甚至信号的传输方向都发生改变。此时信号的传输模态比较复杂,在Area1时由于是准TEM模态,所以电磁和磁场都是分布在垂直方向的。在信号进入过孔突然转到垂直方向传播时,信号的传播方向上是存在电磁场分布的,因此此时的传输模态一定是非TEM模态。
第三阶段:信号进入area2,以同轴模态传输;
第四阶段:信号进入area3,以360度在平面间激发平面TEM模态。此外,由于过孔加上上下两个平面有3个导体,应该有2个模态才对。另一个模态肯定是过孔和平面之间的传输模态,虽然不占主导地位但一定是存在的。
第五阶段:信号进入area4,同第三阶段。第六阶段同第二阶段,第七阶段信号进入area5同第一阶段。
由这个传输过程我们可以较好的理解,信号的传输通道结构发生变化(不连续)时,信号的传输模态是一定会改变的。
02
反射的本质
由上面的分析可以总结,反射的本质就是传输通道结构发生变化时,在两种结构的交界处会发生模态转换。
如上图所示,由于通道A和通道B的结构差异(导体数量不同、形态差异,如传输线进入过孔,参考平面变更、耦合线影响等等),导致在通道A中传播的电磁场模态和通道B中传播的模态不同。信号由通道A进入通道B时,在交界面就必然发生模态转换。
在边界处的模态转换必然遵守maxwell方程在边界上的连续性,因此通道A中的n-1种模态不可能毫发无伤的全部转换成通道B中的m-1种模态的,这其中就会发生反射也可能产生其它非TEM模式的噪声。
说起maxwell方程可能一些同学感觉比较抽象,一提到方程就会头大。我们就从比较容易理解的返回电流的角度来解释一下。为了研究方便,我们将微带线经过过孔换层到带状线的传输过程简化一下,把过孔去掉,得到下图所示的模型。
如上图所示,信号在微带线中只有一种传输模态,进入带状线就有了两种传输模态。在分界面附近发生了什么呢?其实信号传输模态的转换不可能是在分界面瞬间完成的,这个转换也需要一个过程会有一个过度区域。如下图所示信号在还未进入带状线结构非常靠近分界面时就会和return1发生耦合,这一耦合显然就属于非TEM模式(信号传输方向上有电磁场分量)。这一耦合显然并不传输有用信号而是非TEM模式的损耗。
理解了非TEM模式的产生,我们再分析一下回流。
上图所示,其中:i1为微带线的回流;i2和i3分布为带状线与Return_1和Return_2之间的回流;i4为Return_1和Return_2之间的回流。
由于存在非TEM模态损耗,所以 i1>i2+i3,为了保持分界面上电流的连续性 i1+i1‘ = i2+i3,i1’就是i1在分界面上产生的反射信号。
由此可见,即使带状线的阻抗和微带线阻抗相同,也会在分界面产生反射。当然我们大多数时候还是可以用电路理论来分析反射,认为只有阻抗发生变化的时候才会有反射,但是当信号的速率(或者说带宽)足够高时就必须考虑模态转换的影响。
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