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一基片集成波导的传播特性 二基片集成波导的应用图1基片集成波导结构图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AboutGuidedWaveStructures基片集成波导基片集成波导(SubstrateIntegratedWaveguide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。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。图2全模基片集成波导演化为半模基片集成波导示意图图3SIW与HMSIW的主模图2.对基片集成波导与矩形波导等效的分析2.对基片集成波导与矩形波导等效的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(BoundaryIntegral- ResonantModeExpansion)—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。图4SIW结构(a)波导端口(b)同轴端口图2-5同轴和波导端口的坐标系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并矢格林函数可方便的在谱域用以下公式描述:,是圆柱矢量本征函数, 定义如下: (2-2) 其中 (2-3)考虑到在平行板坐标位置(r’)处磁流单元的存在,该磁流沿着z的正向和z的负向辐射两个方向的电磁波,该电磁波要被上下两个平板散射。根据矢量波动方程的展开式: (2-4) 这里A1、A2、B1和B2都是未知矢量函数,由于在上下金属平面的切向电场都要是零,所以格林函数都要满足以下方程: (2-5) 其中,方程(2-4)中的未知矢量函数A1、A2、B1和B2分别为 (2-6)其中,根据留数定理,由谱域积分可得 (2-7) 其中 (2-8) 用替换,根据柱函数加法定理, 式(2-7)可以写成更为紧凑的形式 (2-9) 其中 (2-10)下面来分析金属通孔的影响: 在没有金属圆柱通孔的平板波导其磁流的辐射场和金属圆柱的散射场合在一起总磁场为: (2-11) 上式中散射场是以金属圆柱为中心从金属圆柱出发的外向波,表示为: (2-12)(2-13)其中 (2-14) (2-15) (2-16) (2-17) (2-18) (2-19) 上式中q代表考虑边界条件的圆柱,r是与转换坐标相关的转换系数。所有几何参数的定义如图2-5所示。方程(2-13)-(2-19)的数量取决于z向的波数,因此即要解2m个矩阵方程。实际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数。下面详细讨论根据端口的特征可更进一步把上面公式简化。图4SIW结构(a)波导端口(b)同轴端口一、通过端口给基片集成波导馈电 如图2-4所示,放置于上表面或下底面的同轴端口和放置同一平面波导结构端口给基片集成波导结构馈电。 A、同轴端口馈电 由于该端口外部被金属化,在方程(2-11)、(2-16)和(2-19)中考虑插入磁流项,这时同轴探针放置于基片的一个平板上。假设在同轴电缆中传输纯TEM模。有内半径和外半径的环槽对应端口的同轴探针,可等效于这样一个电流分布: (2-20)从方程(2-16)和(2-19)激励系数和可以看出,方程(2-20)所述电流分布的同轴探针只能沿z向激励起TM模式。端口的互导纳为: (2-21)其中是位于端口的源所产生的总场,是流过电流的端口pj的表面积。磁场可以表示为上下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: (2-23) 其中li是探针pi的系数,是对应于源pi和柱体l所产生的散射系数。m,n分别为表示沿着z向和Ф的变化周期。并且有: (2-24) (2-25) (2-26)式子(2-23)中含第一项考虑了平板波导的贡献,含第二项是由同轴探针内导体的散射引起,第三项是剩下的金属柱体产生的。互导纳可表示为: (2-27)