第5讲 基片集成波导
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第15讲 基片集成波导
第15讲 基片集成波导
一 基片集成波导的传播特性 二 基片集成波导的应用
w
金属面
介质基片 ε
图1 基片集成波导结构图
金属通孔
第15讲 基片集成波导
一 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 2.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 4.基片集成波导电磁传输特性
图2全模基片集成波导演化为半模基片集成波导示意图
1.基片集成波导结构的实现方法及其分类
图3 SIW与HMSIW的主模图
2.对基片集成波导与矩形波导等效的分析
连续的金属壁被分成很多段
s0
j0W
4
ln
W 4R
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R>W/4时金属圆柱形成电壁其表面阻抗为容性；当 R<W/4时金属圆柱形成的电壁其表面阻抗为感性。
3.对基片集成波导结构的数值分析
基片集成波导结构的分析方法：
散射层叠法、
边界积分谐振模式展开法(Boundary IntegralResonant Mode Expansion)—简称BI-RME法、 时域有限差分法(FDFD)、 传输线模型法、 矩量法。 共性：针对Floquet周期结构采用模式扩展的方法来 分析的。即这些方法都是针对基片集成波导的金属柱来求 其传播特性的。这些实际装置的设计主要取决于求解单元 数量的多少。当对电大尺寸求解时要占用大量的计算时间 和存储空间。 关于积分谐振模式展开法和频域有限差分法已有文献 作了详细讨论，我们着重介绍金属柱的散射层叠法。
z z (r r ')
k02
3.对基片集成波导结构的数值分析
M n (k , k0z , , z) ，Nn (k , k0z , , z)是圆柱矢量本征函数，
定义如下： M n (k , k0z , , z) (n (k , ,)e jk0zz z) Nn (k , k0z , , z) (n (k , ,)e jk0zz z) / k (2-2)
基片集成波导
一 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
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、Q值高、功率容量大。
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， 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 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 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。
此外，由于基片集成波导是一种类似于普通金属波导 的准封闭平面导波结构，它除了具有类似于微带传输线的 平面集成特性外，几乎严格消除了由于辐射和基片中的导 波模引起的电路中不同部分的相互干扰。
1.基片集成波导结构的实现方法及其分类
它与传统矩形波导不同的特点在于：它与有源器件 的兼容性好，便于平面集成及小型化，具有体积小、重量 轻、装配简单、加工容易和成本低等传统波导所没有的优 点。可以用来设计很多高Q值、低损耗的平面微波毫米波 电路。
About Guided Wave Structures
High Q-factor Low Insertion Loss High Power Handling Capacity High Performance Bulky, Heavy, Costly Not easy to be integrated with planar circuits
1.基片集成波导结构的实现方法及其分类
基片集成波导(Substrate Integrated Waveguide 缩写为 SIW)：是一种在介质基片上采用印刷工艺实现的新型微 波、毫米波导波结构。
这种波导是一种平面传输线，同时它又具有与传统金 属波导相似的传播特性，因而兼有了金属波导传输损耗小、 Q值高等优点同时又易于平面集成。
A recently proposed guided wave structure
Be Easy Integrated High Density Layout Low Q-factor High Insertion Loss for high f Moderate Performance
Substrate Integrated Waveguide (SIW)
应用：可以用来设计各种高Q值的无源器件，诸如转 换器、滤波器、环形器及天线等，同时可将基片集成波导 元件与有源器件结合，设计各种高性能的有源电路，广泛 地应用于微波及毫米波电路中。
1.基片集成波导结构的实现方法及其分类
电壁：电场切向分量 为零的平面，相当于 理想导体导电平面 磁壁：磁场切向分量 为零的平面，相当于 理想导磁平面
并矢格林函数可方便的在谱域用以下公式描述：
GFREE (r, r ')
j
4
n
0
dk k
参见戴振铎的《电磁理论中 的并矢格林函数》
[
M
n
(k
,
k0
z
,
Βιβλιοθήκη Baidu
,
z)Mn (k k0z k2
,
k0z , ', z ')
Nn
(k
, k0z
,
,
z)Nn (k k0z k2
,
k0z , ', z ') ]
(2-1)
其中
k0
n
(k
,
,
)
Jn (k )e jn
2.对基片集成波导与矩形波导等效的分析
SIW的等效宽度a’
a
'
2a
ctg 1
w
4a
ln
w 4R
矩形波导壁 表面阻抗
s 0
SIW 壁 表 面 阻抗容性
s jx
SIW壁表面
阻抗感性s jx
矩形波导壁
表面阻抗 s 0
矩形波导和SIW俯视图的一半中的电力线和磁力线 (a图表示R<W/4, b图表示R>W/4)
3.对基片集成波导结构的数值分析 一、通过端口给 基片集成波导馈电
图4 SIW结构 (a)波导端口 (b)同轴端口
3.对基片集成波导结构的数值分析 图2-5 同轴和波导端口的坐标系
3.对基片集成波导结构的数值分析
下面我们推导用散射层叠的方法推导平行板波导的磁
场并矢格林函数。对一个单元(r=r’)激励信号的自由空间
第15讲 基片集成波导
一 基片集成波导的传播特性 二 基片集成波导的应用
w
金属面
介质基片 ε
图1 基片集成波导结构图
金属通孔
第15讲 基片集成波导
一 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 2.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 4.基片集成波导电磁传输特性
图2全模基片集成波导演化为半模基片集成波导示意图
1.基片集成波导结构的实现方法及其分类
图3 SIW与HMSIW的主模图
2.对基片集成波导与矩形波导等效的分析
连续的金属壁被分成很多段
s0
j0W
4
ln
W 4R
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R>W/4时金属圆柱形成电壁其表面阻抗为容性；当 R<W/4时金属圆柱形成的电壁其表面阻抗为感性。
3.对基片集成波导结构的数值分析
基片集成波导结构的分析方法：
散射层叠法、
边界积分谐振模式展开法(Boundary IntegralResonant Mode Expansion)—简称BI-RME法、 时域有限差分法(FDFD)、 传输线模型法、 矩量法。 共性：针对Floquet周期结构采用模式扩展的方法来 分析的。即这些方法都是针对基片集成波导的金属柱来求 其传播特性的。这些实际装置的设计主要取决于求解单元 数量的多少。当对电大尺寸求解时要占用大量的计算时间 和存储空间。 关于积分谐振模式展开法和频域有限差分法已有文献 作了详细讨论，我们着重介绍金属柱的散射层叠法。
z z (r r ')
k02
3.对基片集成波导结构的数值分析
M n (k , k0z , , z) ，Nn (k , k0z , , z)是圆柱矢量本征函数，
定义如下： M n (k , k0z , , z) (n (k , ,)e jk0zz z) Nn (k , k0z , , z) (n (k , ,)e jk0zz z) / k (2-2)
基片集成波导
一 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
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、Q值高、功率容量大。
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， 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 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 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。
此外，由于基片集成波导是一种类似于普通金属波导 的准封闭平面导波结构，它除了具有类似于微带传输线的 平面集成特性外，几乎严格消除了由于辐射和基片中的导 波模引起的电路中不同部分的相互干扰。
1.基片集成波导结构的实现方法及其分类
它与传统矩形波导不同的特点在于：它与有源器件 的兼容性好，便于平面集成及小型化，具有体积小、重量 轻、装配简单、加工容易和成本低等传统波导所没有的优 点。可以用来设计很多高Q值、低损耗的平面微波毫米波 电路。
About Guided Wave Structures
High Q-factor Low Insertion Loss High Power Handling Capacity High Performance Bulky, Heavy, Costly Not easy to be integrated with planar circuits
1.基片集成波导结构的实现方法及其分类
基片集成波导(Substrate Integrated Waveguide 缩写为 SIW)：是一种在介质基片上采用印刷工艺实现的新型微 波、毫米波导波结构。
这种波导是一种平面传输线，同时它又具有与传统金 属波导相似的传播特性，因而兼有了金属波导传输损耗小、 Q值高等优点同时又易于平面集成。
A recently proposed guided wave structure
Be Easy Integrated High Density Layout Low Q-factor High Insertion Loss for high f Moderate Performance
Substrate Integrated Waveguide (SIW)
应用：可以用来设计各种高Q值的无源器件，诸如转 换器、滤波器、环形器及天线等，同时可将基片集成波导 元件与有源器件结合，设计各种高性能的有源电路，广泛 地应用于微波及毫米波电路中。
1.基片集成波导结构的实现方法及其分类
电壁：电场切向分量 为零的平面，相当于 理想导体导电平面 磁壁：磁场切向分量 为零的平面，相当于 理想导磁平面
并矢格林函数可方便的在谱域用以下公式描述：
GFREE (r, r ')
j
4
n
0
dk k
参见戴振铎的《电磁理论中 的并矢格林函数》
[
M
n
(k
,
k0
z
,
Βιβλιοθήκη Baidu
,
z)Mn (k k0z k2
,
k0z , ', z ')
Nn
(k
, k0z
,
,
z)Nn (k k0z k2
,
k0z , ', z ') ]
(2-1)
其中
k0
n
(k
,
,
)
Jn (k )e jn
2.对基片集成波导与矩形波导等效的分析
SIW的等效宽度a’
a
'
2a
ctg 1
w
4a
ln
w 4R
矩形波导壁 表面阻抗
s 0
SIW 壁 表 面 阻抗容性
s jx
SIW壁表面
阻抗感性s jx
矩形波导壁
表面阻抗 s 0
矩形波导和SIW俯视图的一半中的电力线和磁力线 (a图表示R<W/4, b图表示R>W/4)
3.对基片集成波导结构的数值分析 一、通过端口给 基片集成波导馈电
图4 SIW结构 (a)波导端口 (b)同轴端口
3.对基片集成波导结构的数值分析 图2-5 同轴和波导端口的坐标系
3.对基片集成波导结构的数值分析
下面我们推导用散射层叠的方法推导平行板波导的磁
场并矢格林函数。对一个单元(r=r’)激励信号的自由空间