第讲基片集成波导I
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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
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。
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。
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。
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'2actg14w aln4wR
矩形波导壁 表面阻抗
s 0
SIW 壁 表 面 阻抗容性
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 j40Wln4WR
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
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。
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
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。
其中
n(k,,)H Jnn2((kk)e)ejnjn
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
并矢格林函数可方便的在谱域用以下公式描述：
G F R E E ( r , r ')
j
4
n
0 dkk
Βιβλιοθήκη Baidu
参见戴振铎的《电磁理论中 的并矢格林函数》
M [
n(k ,
k0z,
, z)M n(k
k
0
z
k
2
, mk 0z ,
',
z
')
N n (k , k0z, , z)N n ( k ,mk0z,
k
0
z
k
2
', z ') ]
(2-1)
z z ( r r ')
k
2 0
3.对基片集成波导结构的数值分析
Mn(k,k0z,,z) ，Nn(k,k0z,,z)是圆柱矢量本征函数，
定义如下：
M n (k ,k 0 z, ,z) (n (k , ,)e jk 0 zzz)
N n (k ,k 0 z,,z ) (n (k ,,) e jk 0 zzz )/k(2-2)
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)
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
第5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
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
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。
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。
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。
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'2actg14w aln4wR
矩形波导壁 表面阻抗
s 0
SIW 壁 表 面 阻抗容性
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 j40Wln4WR
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
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。
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
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。
其中
n(k,,)H Jnn2((kk)e)ejnjn
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
并矢格林函数可方便的在谱域用以下公式描述：
G F R E E ( r , r ')
j
4
n
0 dkk
Βιβλιοθήκη Baidu
参见戴振铎的《电磁理论中 的并矢格林函数》
M [
n(k ,
k0z,
, z)M n(k
k
0
z
k
2
, mk 0z ,
',
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N n (k , k0z, , z)N n ( k ,mk0z,
k
0
z
k
2
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(2-1)
z z ( r r ')
k
2 0
3.对基片集成波导结构的数值分析
Mn(k,k0z,,z) ，Nn(k,k0z,,z)是圆柱矢量本征函数，
定义如下：
M n (k ,k 0 z, ,z) (n (k , ,)e jk 0 zzz)
N n (k ,k 0 z,,z ) (n (k ,,) e jk 0 zzz )/k(2-2)
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)
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
第5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