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1、一一 基片集成波导的传播特性基片集成波导的传播特性二二 基片集成波导的应用基片集成波导的应用第第5 5讲讲 基片集成波导基片集成波导 第第1515讲讲 基片集成波导基片集成波导 1图图1 1 基片集成波导结构图基片集成波导结构图2一一 基片集成波导的传播特性基片集成波导的传播特性1.基片集成波导结构的实现方法及其分类基片集成波导结构的实现方法及其分类2.对基片集成波导与矩形波导等效的分析对基片集成波导与矩形波导等效的分析3.对基片集成波导结构的数值分析对基片集成波导结构的数值分析4.基片集成波导电磁传输特性基片集成波导电磁传输特性 第第1515讲讲 基片集成波导基片集成波导 3About Gu
2、ided Wave StructuresHigh Q-factorLow Insertion LossHigh Power Handling CapacityHigh PerformanceBulky, Heavy, CostlyNot easy to be integratedwith planar circuits Be Easy IntegratedHigh Density LayoutLow Q-factorHigh Insertion Loss for high fModerate PerformanceSubstrate IntegratedWaveguide (SIW)A rec
3、ently proposed guided wave structure4基片集成波导基片集成波导 一一 基片集成波导的传播特性基片集成波导的传播特性微波毫米波电路的发展趋势：小型化、高度平面集成。微波毫米波电路的发展趋势：小型化、高度平面集成。 传统金属波导优点：损耗小、传统金属波导优点：损耗小、Q值高、功率容量大。值高、功率容量大。 缺点：体积庞大，难于与其它微波、毫米缺点：体积庞大，难于与其它微波、毫米 波电路平面集成，更难实现小型化，波电路平面集成，更难实现小型化， 而且加工难度和成本都比较高。而且加工难度和成本都比较高。 微带等平面传输线缺点：传输损耗大、辐射干扰强，品微带等平面传输
4、线缺点：传输损耗大、辐射干扰强，品 质因数低，因而采用它所设计制作的质因数低，因而采用它所设计制作的 各种微波毫米波电路的一些关键性能各种微波毫米波电路的一些关键性能 指标不如波导元器件，而且在很多场指标不如波导元器件，而且在很多场 合无法替代波导元器件。合无法替代波导元器件。1.基片集成波导结构的实现方法及其分类基片集成波导结构的实现方法及其分类5基基片片集集成成波波导导(Substrate Integrated Waveguide 缩缩写写为为SIW)：是是一一种种在在介介质质基基片片上上采采用用印印刷刷工工艺艺实实现现的的新新型型微微波、毫米波导波结构波、毫米波导波结构。 这这种种波波导
5、导是是一一种种平平面面传传输输线线，同同时时它它又又具具有有与与传传统统金金属属波波导导相相似似的的传传播播特特性性，因因而而兼兼有有了了金金属属波波导导传传输输损损耗耗小小、Q值高等优点同时又易于平面集成。值高等优点同时又易于平面集成。 1.1.1.1.基片集成波导结构的实现方法及其分类基片集成波导结构的实现方法及其分类基片集成波导结构的实现方法及其分类基片集成波导结构的实现方法及其分类 此此外外，由由于于基基片片集集成成波波导导是是一一种种类类似似于于普普通通金金属属波波导导的的准准封封闭闭平平面面导导波波结结构构，它它除除了了具具有有类类似似于于微微带带传传输输线线的的平平面面集集成成特
6、特性性外外，几几乎乎严严格格消消除除了了由由于于辐辐射射和和基基片片中中的的导导波模波模引起的电路中不同部分的相互干扰。引起的电路中不同部分的相互干扰。6 它它与与传传统统矩矩形形波波导导不不同同的的特特点点在在于于：它它与与有有源源器器件件的的兼兼容容性性好好，便便于于平平面面集集成成及及小小型型化化，具具有有体体积积小小、重重量量轻轻、装装配配简简单单、加加工工容容易易和和成成本本低低等等传传统统波波导导所所没没有有的的优优点点。可可以以用用来来设设计计很很多多高高Q值值、低低损损耗耗的的平平面面微微波波毫毫米米波波电路。电路。 1.1.1.1.基片集成波导结构的实现方法及其分类基片集成波
7、导结构的实现方法及其分类基片集成波导结构的实现方法及其分类基片集成波导结构的实现方法及其分类 应应用用：可可以以用用来来设设计计各各种种高高Q值值的的无无源源器器件件，诸诸如如转转换换器器、滤滤波波器器、环环形形器器及及天天线线等等，同同时时可可将将基基片片集集成成波波导导元元件件与与有有源源器器件件结结合合，设设计计各各种种高高性性能能的的有有源源电电路路，广广泛泛地应用于微波及毫米波电路中。地应用于微波及毫米波电路中。7图图2全模基片集成波导演化为半模基片集成波导示意图全模基片集成波导演化为半模基片集成波导示意图1.1.1.1.基片集成波导结构的实现方法及其分类基片集成波导结构的实现方法及
8、其分类基片集成波导结构的实现方法及其分类基片集成波导结构的实现方法及其分类电电壁壁：电电场场切切向向分分量量为为零零的的平平面面，相相当当于于理想导体导电平面理想导体导电平面磁磁壁壁：磁磁场场切切向向分分量量为为零零的的平平面面，相相当当于于理想导磁平面理想导磁平面8图图3 SIW与与HMSIW的主模图的主模图1.1.1.1.基片集成波导结构的实现方法及其分类基片集成波导结构的实现方法及其分类基片集成波导结构的实现方法及其分类基片集成波导结构的实现方法及其分类92.2.2.2.对基片集成波导与矩形波导等效的分析对基片集成波导与矩形波导等效的分析对基片集成波导与矩形波导等效的分析对基片集成波导与
9、矩形波导等效的分析连续的金属壁被分成很多段图2-7 连续的金属实体壁通过间隙W被分成很多段 从上式可以看出，在准静态情况下，当R=W/4时金属圆柱形成的电壁其表面阻抗为0，跟实体电壁情况一样；当RW/4时金属圆柱形成电壁其表面阻抗为容性；当RW/4时金属圆柱形成的电壁其表面阻抗为感性。102.2.2.2.对基片集成波导与矩形波导等效的分析对基片集成波导与矩形波导等效的分析对基片集成波导与矩形波导等效的分析对基片集成波导与矩形波导等效的分析SIW的等效宽度a矩形波导和矩形波导和SIW俯视图的一半中的电力线和磁力线俯视图的一半中的电力线和磁力线 (a图表示图表示RW/4) 矩形波导壁表面阻抗SIW
10、壁表面阻抗容性SIW壁表面阻抗感性矩形波导壁表面阻抗11基片集成波导结构的分析方法：基片集成波导结构的分析方法： 散射层叠法散射层叠法、 边界积分谐振模式展开法边界积分谐振模式展开法(Boundary Integral- Resonant Mode Expansion)简称简称BI-RME法、法、 时域有限差分法时域有限差分法(FDFD)、 传输线模型法、传输线模型法、 矩量法。矩量法。 共共性性：针针对对Floquet周周期期结结构构采采用用模模式式扩扩展展的的方方法法来来分分析析的的。即即这这些些方方法法都都是是针针对对基基片片集集成成波波导导的的金金属属柱柱来来求求其其传传播播特特性性的
11、的。这这些些实实际际装装置置的的设设计计主主要要取取决决于于求求解解单单元元数数量量的的多多少少。当当对对电电大大尺尺寸寸求求解解时时要要占占用用大大量量的的计计算算时时间间和存储空间。和存储空间。 关关于于积积分分谐谐振振模模式式展展开开法法和和频频域域有有限限差差分分法法已已有有文文献献作了详细讨论，我们着重介绍金属柱的散射层叠法。作了详细讨论，我们着重介绍金属柱的散射层叠法。3. 3.对基片集成波导结构的数值分析对基片集成波导结构的数值分析对基片集成波导结构的数值分析对基片集成波导结构的数值分析12图图4 SIW结构结构 (a)波导端口波导端口 (b)同轴端口同轴端口一、通过端口给一、通
12、过端口给基片集成波导馈电基片集成波导馈电3. 3.对基片集成波导结构的数值分析对基片集成波导结构的数值分析对基片集成波导结构的数值分析对基片集成波导结构的数值分析13图图2-5 同轴和波导端口的坐标系同轴和波导端口的坐标系3. 3.对基片集成波导结构的数值分析对基片集成波导结构的数值分析对基片集成波导结构的数值分析对基片集成波导结构的数值分析14 下下面面我我们们推推导导用用散散射射层层叠叠的的方方法法推推导导平平行行板板波波导导的的磁磁场场并并矢矢格格林林函函数数。对对一一个个单单元元(r=r)激激励励信信号号的的自自由由空空间间并矢格林函数可方便的在谱域用以下公式描述：并矢格林函数可方便的
13、在谱域用以下公式描述：3. 3.对基片集成波导结构的数值分析对基片集成波导结构的数值分析对基片集成波导结构的数值分析对基片集成波导结构的数值分析 (2-1)参参见见戴戴振振铎铎的的电电磁磁理理论论中中的并矢格林函数的并矢格林函数15 ， 是圆柱矢量本征函数，是圆柱矢量本征函数，定义如下：定义如下： (2-2)其中其中 (2-3)3. 3.对基片集成波导结构的数值分析对基片集成波导结构的数值分析对基片集成波导结构的数值分析对基片集成波导结构的数值分析对于方程对于方程(2-1)针对针对zz区域取上面的符号，针对区域取上面的符号，针对 zz区域区域取下面的符号。取下面的符号。16考考虑虑到到在在平平
14、行行板板坐坐标标位位置置(r)处处磁磁流流单单元元的的存存在在，该该磁磁流流沿沿着着z的的正正向向和和z的的负负向向辐辐射射两两个个方方向向的的电电磁磁波波，该该电电磁磁波波要被上下两个平板散射。根据矢量波动方程的展开式：要被上下两个平板散射。根据矢量波动方程的展开式： (2-4)这这里里A1、A2、B1和和B2都都是是未未知知矢矢量量函函数数，由由于于在在上上下下金金属属平平面面的的切切向向电电场场都都要要是是零零，所所以以格格林林函函数数都都要要满满足足以以下下方方程：程： 3. 3.对基片集成波导结构的数值分析对基片集成波导结构的数值分析对基片集成波导结构的数值分析对基片集成波导结构的数
15、值分析17 (2-5)其其中中 ，方方程程(2-4)中中的的未未知知矢矢量量函函数数A1、A2、B1和和B2分别为分别为 (2-6)3. 3.对基片集成波导结构的数值分析对基片集成波导结构的数值分析对基片集成波导结构的数值分析对基片集成波导结构的数值分析18其其中中 ，根根据据留留数数定定理理，由由谱谱域域积积分分可可得得 (2-7) 3. 3.对基片集成波导结构的数值分析对基片集成波导结构的数值分析对基片集成波导结构的数值分析对基片集成波导结构的数值分析19其中其中 (2-8) 3. 3.对基片集成波导结构的数值分析对基片集成波导结构的数值分析对基片集成波导结构的数值分析对基片集成波导结构的
16、数值分析for m0for m020用用 替换替换 ，根据柱函数加法定理，根据柱函数加法定理，式式(2-7) 可以写成更为紧凑的形式可以写成更为紧凑的形式 (2-9)其中其中 (2-10)3. 3.对基片集成波导结构的数值分析对基片集成波导结构的数值分析对基片集成波导结构的数值分析对基片集成波导结构的数值分析21下面来分析金属通孔的影响：下面来分析金属通孔的影响： 在在没没有有金金属属圆圆柱柱通通孔孔的的平平板板波波导导其其磁磁流流的的辐辐射射场场和和金金属圆柱的散射场合在一起总磁场为：属圆柱的散射场合在一起总磁场为： (2-11)上上式式中中散散射射场场是是以以金金属属圆圆柱柱为为中中心心从
17、从金金属属圆圆柱柱出出发发的的外外向向波，表示为：波，表示为： (2-12)3. 3.对基片集成波导结构的数值分析对基片集成波导结构的数值分析对基片集成波导结构的数值分析对基片集成波导结构的数值分析22(2-13)3. 3.对基片集成波导结构的数值分析对基片集成波导结构的数值分析对基片集成波导结构的数值分析对基片集成波导结构的数值分析23其中其中 (2-14) (2-15) (2-16) (2-17) 电压激励系数电压激励系数(2-20)24 (2-18) (2-19)上上式式中中q代代表表考考虑虑边边界界条条件件的的圆圆柱柱，r是是与与转转换换坐坐标标相相关关的的转转换换系系数数。所所有有几
18、几何何参参数数的的定定义义如如图图2-5所所示示。方方程程(2-13)-(2-19)的的数数量量取取决决于于z向向的的波波数数 ，因因此此即即要要解解2m个个矩矩阵阵方方程程。实实际际上上由由于于基基片片集集成成器器件件一一般般制制作作在在薄薄的的基基片片上上所所以以矢矢量量本本征征函函数数 。下下面面详详细细讨讨论根据端口的特征可更进一步把上面公式简化。论根据端口的特征可更进一步把上面公式简化。3. 3.对基片集成波导结构的数值分析对基片集成波导结构的数值分析对基片集成波导结构的数值分析对基片集成波导结构的数值分析25图图4 SIW结构结构 (a)波导端口波导端口 (b)同轴端口同轴端口一、
19、通过端口给一、通过端口给基片集成波导馈电基片集成波导馈电26一、通过端口给基片集成波导馈电一、通过端口给基片集成波导馈电 如如图图2-4所所示示，放放置置于于上上表表面面或或下下底底面面的的同同轴轴端端口口和和放置放置同一平面波导结构端口同一平面波导结构端口给基片集成波导结构馈电。给基片集成波导结构馈电。A、同轴端口馈电、同轴端口馈电 由由于于该该端端口口外外部部被被金金属属化化，在在方方程程(2-11)、(2-16)和和(2-19)中中考考虑虑插插入入磁磁流流项项，这这时时同同轴轴探探针针放放置置于于基基片片的的一一个个平平板板上上。假假设设在在同同轴轴电电缆缆中中传传输输纯纯TEM模模。有
20、有内内半半径径和和外外半半径径的的环环槽槽对对应应端端口口的的同同轴轴探探针针，可可等等效效于于这这样样一一个个电流分布：电流分布： (2-20)3. 3.对基片集成波导结构的数值分析对基片集成波导结构的数值分析对基片集成波导结构的数值分析对基片集成波导结构的数值分析上表面上表面27从从方方程程(2-16)和和(2-19)激激励励系系数数 和和 可可以以看看出出，方方程程(2-20)所所述述电电流流分分布布的的同同轴轴探探针针只只能能沿沿z向向激激励励起起TM模式。端口的互导纳为：模式。端口的互导纳为： (2-21)3. 3.对基片集成波导结构的数值分析对基片集成波导结构的数值分析对基片集成波
21、导结构的数值分析对基片集成波导结构的数值分析(2-20)28其其中中 是是位位于于端端口口的的源源 所所产产生生的的总总场场， 是是流流过过电电流流 的的端端口口pj的的表表面面积积。磁磁场场 可可以以表表示示为为上上下下两个平板和边沿两排金属通孔所产生的总场：两个平板和边沿两排金属通孔所产生的总场： (2-22)对于同轴端口，自导纳表示为：对于同轴端口，自导纳表示为： (2-23)其其中中li是是探探针针pi的的系系数数， 是是对对应应于于源源pi和和柱柱体体l所所产产生生的的散散射射系系数数。m，n分分别别为为表表示示沿沿着着z向向和和的的变变化化周周期期。并且有：并且有： 3. 3.对基
22、片集成波导结构的数值分析对基片集成波导结构的数值分析对基片集成波导结构的数值分析对基片集成波导结构的数值分析29 (2-24) (2-25) (2-26)3. 3.对基片集成波导结构的数值分析对基片集成波导结构的数值分析对基片集成波导结构的数值分析对基片集成波导结构的数值分析30式式子子(2-23)中中含含 第第一一项项考考虑虑了了平平板板波波导导的的贡贡献献，含含 第第二二项项是是由由同同轴轴探探针针内内导导体体的的散散射射引引起起，第第三三项项是是剩剩下下的的金金属柱体产生的。互导纳可表示为：属柱体产生的。互导纳可表示为： (2-27)其中其中 是两个端口源是两个端口源 之间的距离。之间的距离。3. 3.对基片集成波导结构的数值分析对基片集成波导结构的数值分析对基片集成波导结构的数值分析对基片集成波导结构的数值分析31
