李文欽、楊偉達/工研院材化所
常見卻又陌生的波導技術
波導(Waveguide)技術的通用解釋是將各種波的能量以單一維度長距離傳遞。早在19世紀末這個名詞出現以前，人類就已經知道如何用環境或工具傳遞聲波；例如用洞穴傳聲或是早期醫生聽診器的中空管，都是在波導理論被研究前，前人就已熟知的技巧。常見的波導應用是透過波導結構將電磁波或聲波限制在結構內傳導，可以減少波的能量損失，盡可能將波由A點完整傳送到B點。
對於不同類型的波，存在不同類型的波導。空心金屬管波導，用於承載高頻無線電波，尤其是微波；介質波導用於傳送頻率在毫米波以上的電磁波，透明的介質波導如光纖可充當光的波導。在聲學中，風管和喇叭則被用作樂器和揚聲器中聲音的波導。二十世紀中葉至今，隨著電磁波理論越來越完備，波導技術在傳導電磁波的應用上大大地改變了人類的生活，推動了科技的進展；如今波導技術的產品應用就像是生活中隨處可見的地毯，卻鮮少被人們所關注。像是微波爐需要微波導管，才能將微波能量送到烹飪室加熱食物；視訊和上網需要透過光纖傳送數位資料。這些每天會用到的波導結構非常簡單又耐用，低調到難以察覺其存在，但是重要性卻不容置疑。
傳輸線、金屬管波導與介質波導
長途通訊一直是波導技術最重要的應用；不過，早期越洋電報使用的低頻無線電波(可在大氣下長距離傳播)因為波長太長，需要大口徑的空心金屬管才能傳導，波導技術並不實用。隨著二次大戰爆發，雷達的重要性與日俱增並大力推動了波導研究；透過波導結構將磁控管產生的微波傳送到天線。於此時期，同軸電纜的商用也開始展開，在20世紀中葉支撐長途通訊的發展。在電氣工程領域，同軸電纜是屬於金屬傳輸線，以封閉方式傳導電磁波，訊號沿著實心銅導體傳遞。自從1950年開始，隨著各種耐熱的新介電材料如環氧樹脂、酚醛樹脂及聚醯亞胺的出現，讓印刷電路板(PCB)製造技術突飛猛進；平面傳輸線的順勢發展也迎來20世紀末至今，3C電子產業輝煌的年代。
常見的平面傳輸線有帶狀線、微帶線和共面波導(Coplanar Waveguide; CPW)等形式，可由早期電報線商業化時發展出來的傳輸線理論進行設計，必須同時考慮電壓與電流。共面波導在1969年由華人(Cheng P. Wen.)在美國RCA實驗室所發明，目的是為了發展微波積體電路，讓平面傳輸線可以整合更高頻的元件。CPW的3個金屬共平面結構包括接地、訊號線、接地以及夾著2條空隙，空隙間的空氣傳導著部份電場(圖一)；或許這部分讓發明者聯想到波導而取名共面波導。不過根據網路傳言，Cheng P. Wen.原先是將共面波導取名為Planar Strip Line；而他的RCA同事(Lou Napoli)建議他改成Co-Planar Waveguide，所以C. P. W.發明了CPW。普遍工程師認為，波導是指空心管狀導體或內含介電質的結構，用於傳導高頻電磁波(如微波、毫米波、太赫茲波、紅外光、可見光)；因此在多數人的觀念中，CPW應該稱作Planar Strip Line較為合適。不過在廣義上，傳遞波能量的結構，都可以稱作是波導。
圖一、(a)微帶線；(b)共面波導示意圖
無線通訊進入5G時代後，PCB上的金屬傳輸線訊號需要提高到毫米波頻率；共面波導因為電路特性受到PCB介電材料特性的影響最小，越來越受到工程師的青睞。同樣是傳導毫米波訊號，微帶線或帶狀線受到PCB內介電材料的特性影響很大，被迫提高電路設計的複雜性，導致電路更耗電且成本增加。此時，射頻天線發送的毫米波的波長，已經小到能輕易使用空心(或介質)金屬管波導來傳導；採用波導技術來傳導2組天線之間的毫米波射頻也成為PCB的電路設計選項，只是需要先克服---以上為部分節錄資料，完整內容請見下方附檔。
圖二、基板集成波導Substrate integrated waveguide (SIW)示意圖