信号完整性进阶—传输模态

先解释一下电磁场中模式的概念。

电磁波模式(mode of electromagnetic wave)：在给定边界条件(包括无穷远处辐射条件)下可能独立存在的确定的电磁场分布规律，又称场型。模式简称模，有时称为波型(简称波)，有时也称为模态。

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信号在传输线中传输的模态

传输线中传输的信号本质上也是一种电磁波，信号在传输线上的传输模式主要有两种：

（1）TEM模式：在传播方向上没有电场和磁场分量，称为横电磁波。 信号在带状线中主要以TEM模式传播。

（2）准TEM波: 微带线是部分填充介质的双导体传输线，线上传输的主模是准TEM模。准TEM模的纵向场分量并不等于零，这是因为微带线除介质与导体的边界之外，还有不同介质的边界，微带线传输波形必须同时满足两类边界条件。因此微带线在纵向场分量Ez、Hz不等于零，微带线传输的是电波与磁波的混合波。但是，当微带线传输的频率较低时，混合波的纵向场分量很小，这时的传输波型近似为TEM模，这就是称为准TEM波的原因。

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信号通过过孔时的模态

无论是TEM波还是准TEM波，都是在水平方向（x、y方向）上传输的波。如果布线需要打孔换层，或者经过插接连接器的时候，信号需要在垂直方向（z方向）传播。此时波的传输模态是什么样子的呢？

下图为信号通过过孔传输的示意图，从电磁场来看信号经过过孔传输的情况比传输线要复杂的多。这里我们可以简单地对下图的area 1和area 2 进行讨论。

area 1是过孔穿过平面的情况，这种情况比较好理解。我们看它的顶视图可以看出与同轴线缆类似，电磁场的模态如右图所示：

那么，在area 2又发生了什么呢？下图标注了信号的回流路径。

平面上的回流路径到底以什么样的模态传输呢？其实平面与平面之间的场型和微带线的场型并没有本质的区别。下图为一个4mil线宽带状线场的模态。

下图为把带状线线宽调整为100mil之后的场的模态。我们可以把100mil的布线和上下两个平面之间的场型理解为平面之间的场的模态。

过孔在平面之间激发出来的电磁场模态和平面模态的区别在于过孔激发的场是360度的。

明白了这一点就可以大致的知道在信号穿过过孔时大概发生了什么。过孔穿过平面时以同轴模态传输进入两个平面之间时可以360度激发平面TEM模态。

当然实际的过程可能比较复杂，上面也只是一个简化的示意图就是告诉大家信号传输的模态会发生变化。如果不好理解360度激发平面TEM波的过程，可以想象一下石子投入水中荡起波纹的情景，信号经过过孔传输的过程与之类似。