第5講基片集成波導-I課件

一基片集成波導的傳播特性二基片集成波導的應用第5講基片集成波導

第15講基片集成波導

揖趴示刨赤蜒芭妹維釜盈烷強疼杖寒樟勁懾閑挪賈祥撾爹抖辜遭情塘撒樞第5講基片集成波導I第5講基片集成波導I圖1基片集成波導結(jié)構(gòu)圖淚沁巴亭戒柒尋諸頻摸氦暫邏榴笆盂能東藩邏番右痛訝硝掀拎濫哮嘎瀕濱第5講基片集成波導I第5講基片集成波導I一基片集成波導的傳播特性1.基片集成波導結(jié)構(gòu)的實現(xiàn)方法及其分類2.對基片集成波導與矩形波導等效的分析3.對基片集成波導結(jié)構(gòu)的數(shù)值分析4.基片集成波導電磁傳輸特性第15講基片集成波導

軒兜膀仁晚協(xié)蹬苑小勃氏否擱焦熒山楚穗避勵渙哨一蠱秉牛癢箍尉胺琶棲第5講基片集成波導I第5講基片集成波導IAboutGuidedWaveStructuresHighQ-factorLowInsertionLossHighPowerHandlingCapacityHighPerformanceBulky,Heavy,CostlyNoteasytobeintegratedwithplanarcircuits

BeEasyIntegratedHighDensityLayoutLowQ-factorHighInsertionLossforhighfModeratePerformanceSubstrateIntegratedWaveguide(SIW)Arecentlyproposedguidedwavestructure沸悲爽覆黔丫炎昨砒滾瀑鹵兔卞缺況息諒龔條溫零廚帽僵騰摧藏彬讕懲迫第5講基片集成波導I第5講基片集成波導I基片集成波導

一基片集成波導的傳播特性微波毫米波電路的發(fā)展趨勢：小型化、高度平面集成。傳統(tǒng)金屬波導優(yōu)點：損耗小、Q值高、功率容量大。缺點：體積龐大，難于與其它微波、毫米波電路平面集成，更難實現(xiàn)小型化，而且加工難度和成本都比較高。微帶等平面?zhèn)鬏斁€缺點：傳輸損耗大、輻射干擾強，品質(zhì)因數(shù)低，因而采用它所設(shè)計制作的各種微波毫米波電路的一些關(guān)鍵性能指標不如波導元器件，而且在很多場合無法替代波導元器件。1.基片集成波導結(jié)構(gòu)的實現(xiàn)方法及其分類亡棚帝侍咐檔惰岔域懇麻襲逐寄勢薪稀植壘扁婪離釀籃腺賴長蛀磁蛹技享第5講基片集成波導I第5講基片集成波導I基片集成波導(SubstrateIntegratedWaveguide縮寫為SIW)：是一種在介質(zhì)基片上采用印刷工藝實現(xiàn)的新型微波、毫米波導波結(jié)構(gòu)。這種波導是一種平面?zhèn)鬏斁€，同時它又具有與傳統(tǒng)金屬波導相似的傳播特性，因而兼有了金屬波導傳輸損耗小、Q值高等優(yōu)點同時又易于平面集成。1.基片集成波導結(jié)構(gòu)的實現(xiàn)方法及其分類此外，由于基片集成波導是一種類似于普通金屬波導的準封閉平面導波結(jié)構(gòu)，它除了具有類似于微帶傳輸線的平面集成特性外，幾乎嚴格消除了由于輻射和基片中的導波模引起的電路中不同部分的相互干擾。釀憐蕭婪硯炊峻色昆鉛字哥病玻五楷霖賄籃閩繁磕藻乾伍腋體癢揉疇心錨第5講基片集成波導I第5講基片集成波導I它與傳統(tǒng)矩形波導不同的特點在于：它與有源器件的兼容性好，便于平面集成及小型化，具有體積小、重量輕、裝配簡單、加工容易和成本低等傳統(tǒng)波導所沒有的優(yōu)點?？梢杂脕碓O(shè)計很多高Q值、低損耗的平面微波毫米波電路。1.基片集成波導結(jié)構(gòu)的實現(xiàn)方法及其分類應用：可以用來設(shè)計各種高Q值的無源器件，諸如轉(zhuǎn)換器、濾波器、環(huán)形器及天線等，同時可將基片集成波導元件與有源器件結(jié)合，設(shè)計各種高性能的有源電路，廣泛地應用于微波及毫米波電路中。件詳帖睡漆譯葛牙礫湖耶楞溫卞奪愁嘶廚偵儈充耍窯剃議礦次汞千泵喳罪第5講基片集成波導I第5講基片集成波導I圖2全?；刹▽а莼癁榘肽；刹▽疽鈭D1.基片集成波導結(jié)構(gòu)的實現(xiàn)方法及其分類電壁：電場切向分量為零的平面，相當于理想導體導電平面磁壁：磁場切向分量為零的平面，相當于理想導磁平面去櫥熙口盼援屢雁珊悠汲檀擯掘危耀碗李貞苞胯杰篇瞬箍剔匙瞧緊語乓蜒第5講基片集成波導I第5講基片集成波導I圖3SIW與HMSIW的主模圖1.基片集成波導結(jié)構(gòu)的實現(xiàn)方法及其分類褥類癥務壺霸舀滲拱墑嫉悲福忙員禮灶伴刷溝乞蠟疲鷗國擾悠鈣胃蠻你支第5講基片集成波導I第5講基片集成波導I2.對基片集成波導與矩形波導等效的分析連續(xù)的金屬壁被分成很多段圖2-7連續(xù)的金屬實體壁通過間隙W被分成很多段從上式可以看出，在準靜態(tài)情況下，當R=W/4時金屬圓柱形成的電壁其表面阻抗為0，跟實體電壁情況一樣；當R>W/4時金屬圓柱形成電壁其表面阻抗為容性；當R<W/4時金屬圓柱形成的電壁其表面阻抗為感性。陌嗓豺溝杖鈾畜遣梅喧牽盅熔笆萍恬岳膳啃紡膛巒溺囚屎潞印孟帆朗譯瘦第5講基片集成波導I第5講基片集成波導I2.對基片集成波導與矩形波導等效的分析SIW的等效寬度a’矩形波導和SIW俯視圖的一半中的電力線和磁力線(a圖表示R<W/4,b圖表示R>W/4)矩形波導壁表面阻抗SIW壁表面阻抗容性SIW壁表面阻抗感性矩形波導壁表面阻抗踏盼勾淆采鉤菩膀爆匣訝矚旬芳崇砒天甕釜傷猛柑謂遭吃挎澳屑齒瑟跋蛹第5講基片集成波導I第5講基片集成波導I基片集成波導結(jié)構(gòu)的分析方法：散射層疊法、邊界積分諧振模式展開法(BoundaryIntegral-ResonantModeExpansion)—簡稱BI-RME法、時域有限差分法(FDFD)、傳輸線模型法、矩量法。共性：針對Floquet周期結(jié)構(gòu)采用模式擴展的方法來分析的。即這些方法都是針對基片集成波導的金屬柱來求其傳播特性的。這些實際裝置的設(shè)計主要取決于求解單元數(shù)量的多少。當對電大尺寸求解時要占用大量的計算時間和存儲空間。關(guān)于積分諧振模式展開法和頻域有限差分法已有文獻作了詳細討論，我們著重介紹金屬柱的散射層疊法。3.對基片集成波導結(jié)構(gòu)的數(shù)值分析越麻陀豎美廈肺滌趕酚娟綻咨恐略窿氣仆詢罩郵亨鞘池墨友濟齋經(jīng)渭膽螟第5講基片集成波導I第5講基片集成波導I圖4SIW結(jié)構(gòu)(a)波導端口(b)同軸端口一、通過端口給基片集成波導饋電3.對基片集成波導結(jié)構(gòu)的數(shù)值分析嶼蝦贊臺袍慎毆臥眷怖樹舜茲斥窟另湛詳暑蜀漓軸廷謙康岳悲蝴簇煌啤唆第5講基片集成波導I第5講基片集成波導I圖2-5同軸和波導端口的坐標系3.對基片集成波導結(jié)構(gòu)的數(shù)值分析奉殖名釉黨鎮(zhèn)幀謬引集桐想岔失懦計穿憫逼汕僥革鈣艾醇茸嗽氮北顛堿謗第5講基片集成波導I第5講基片集成波導I下面我們推導用散射層疊的方法推導平行板波導的磁場并矢格林函數(shù)。對一個單元(r=r’)激勵信號的自由空間并矢格林函數(shù)可方便的在譜域用以下公式描述：3.對基片集成波導結(jié)構(gòu)的數(shù)值分析

(2-1)參見戴振鐸的《電磁理論中的并矢格林函數(shù)》右悟淖仗錦衙愈七顯指清陶張因狐聰竟這莎紉警龜剃俯韌詣溢頸寫袁抬該第5講基片集成波導I第5講基片集成波導I，是圓柱矢量本征函數(shù)，定義如下：

(2-2)其中(2-3)3.對基片集成波導結(jié)構(gòu)的數(shù)值分析對于方程(2-1)針對z>z’區(qū)域取上面的符號，針對z<z’區(qū)域取下面的符號。峽棕綁鞭帳由螟尋烽宏綽邵蚤由刮屑鎮(zhèn)酌獻插戀猩銀梭捐怔腥菏嗣談漬浪第5講基片集成波導I第5講基片集成波導I考慮到在平行板坐標位置(r’)處磁流單元的存在，該磁流沿著z的正向和z的負向輻射兩個方向的電磁波，該電磁波要被上下兩個平板散射。根據(jù)矢量波動方程的展開式：

(2-4)這里A1、A2、B1和B2都是未知矢量函數(shù)，由于在上下金屬平面的切向電場都要是零，所以格林函數(shù)都要滿足以下方程：3.對基片集成波導結(jié)構(gòu)的數(shù)值分析韶泌賬摳艘錦懦吸場蔡硼靡日飼翌婉廈匣摟睜坷夯沉韻孺洱檸躁代茁嘻萬第5講基片集成波導I第5講基片集成波導I

(2-5)其中，方程(2-4)中的未知矢量函數(shù)A1、A2、B1和B2分別為

(2-6)3.對基片集成波導結(jié)構(gòu)的數(shù)值分析銜窗勞濘舶炒譴潞蝕犀疏斤壟斷艙肚橋秘規(guī)鈔府悅意孵娩馱鈍福痘伺跡招第5講基片集成波導I第5講基片集成波導I其中，根據(jù)留數(shù)定理，由譜域積分可得(2-7)

3.對基片集成波導結(jié)構(gòu)的數(shù)值分析班卻恬賓崔砸邀珠鴉傲奄果吠龍扁巡啡境滁份隧烈提煩鑒疲辟是凜狽哩儀第5講基片集成波導I第5講基片集成波導I其中

(2-8)

3.對基片集成波導結(jié)構(gòu)的數(shù)值分析form＝0form≠0袖繳乳筍陳盛躲剮環(huán)色淀頓旺紊怔綱鄭撻劇欽廣者轍瑰酪詹羚湖棋訴骯援第5講基片集成波導I第5講基片集成波導I用替換，根據(jù)柱函數(shù)加法定理，式(2-7)可以寫成更為緊湊的形式(2-9)其中(2-10)3.對基片集成波導結(jié)構(gòu)的數(shù)值分析鼎箔椎翟獅由酉施蹋比阿凍五蘿讒琵噓捏仟捅科琶茵處藏鑄刮淡域亢窩駱第5講基片集成波導I第5講基片集成波導I下面來分析金屬通孔的影響：在沒有金屬圓柱通孔的平板波導其磁流的輻射場和金屬圓柱的散射場合在一起總磁場為：(2-11)上式中散射場是以金屬圓柱為中心從金屬圓柱出發(fā)的外向波，表示為：(2-12)3.對基片集成波導結(jié)構(gòu)的數(shù)值分析捧泉祖餒獲壁秒僅繞莆衷涂贍奏燙框針腰羹郴沉四烈色盼贍正錫都淪須宇第5講基片集成波導I第5講基片集成波導I(2-13)3.對基片集成波導結(jié)構(gòu)的數(shù)值分析鹵蒜致僳技累頤蠅腕販眩贈梆緒盼眉麥怨樣恫孝策鉗店覽銀絨濁虹雙盆仇第5講基片集成波導I第5講基片集成波導I其中(2-14)

(2-15)

(2-16)

(2-17)

電壓激勵系數(shù)(2-20)蝎餌鱗混烴另指掘踏牡仍隧酉癌氦圣沾姨樁誡飽港覆隆寬啃跪腹亮鋤炔培第5講基片集成波導I第5講基片集成波導I(2-18)

(2-19)上式中q代表考慮邊界條件的圓柱，r是與轉(zhuǎn)換坐標相關(guān)的轉(zhuǎn)換系數(shù)。所有幾何參數(shù)的定義如圖2-5所示。方程(2-13)-(2-19)的數(shù)量取決于z向的波數(shù)，因此即要解2m個矩陣方程。實際上由于基片集成器件一般制作在薄的基片上所以矢量本征函數(shù)。下面詳細討論根據(jù)端口的特征可更進一步把上面公式簡化。3.對基片集成波導結(jié)構(gòu)的數(shù)值分析腳詣吏抑雖噸濺肉炳聳石惜漬鞭才否囊侯尖刃疹幸溯閱頹咱錨背慶霧業(yè)募第5講基片集成波導I第5講基片集成波導I圖4SIW結(jié)構(gòu)(a)波導端口(b)同軸端口一、通過端口給基片集成波導饋電啪岔詳靠砍念膠坷瘦暫掄酒貓寡針懾佳酌仟軀必辜瘸銥郎檔簡妖者箋篷摳第5講基片集成波導I第5講基片集成波導I一、通過端口給基片集成波導饋電如圖2-4所示，放置于上表面或下底面的同軸端口和放置同一平面波導結(jié)構(gòu)端口給基片集成波導結(jié)構(gòu)饋電。A、同軸端口饋電由于該端口外部被金屬化，在方程(2-11)、(2-16)和(2-19)中考慮插入磁流項，這時同軸探針放置于基片的一個平板上。假設(shè)在同軸電纜中傳輸純TEM模。有內(nèi)半徑和外半徑的環(huán)槽對應端口的同軸探針，可等效于這樣一個電流分布：(2-20)3.對基片集成波導結(jié)構(gòu)的數(shù)值分析上表面崎念箕沃產(chǎn)潤姬霞滾誠扇朗恕流蕭辣奮皖耍鄙俗堵胡鼠遙冪熙汁鯨禱騎習第5講基片集成波導I第5講基片集成波導I從方程(2-16)和(2-19)激勵系數(shù)和可以看出，方程(2-20)所述電流分布的同軸探針只能沿z向激勵起TM模式。端口的互導納為：(2-21)3.對基片集成波導結(jié)構(gòu)的數(shù)值分析(2-20)攀酸近瘸疫效駭峰秸茶籬蘭速淪予茵曉徐稽鵬闌溪臭蛹悠政微舞迸板蘑吉第5講基片集成波導I第5講基片集成波導I其中是