第5讲基片集成波导-I课件

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单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,一 基片集成波导的传播特性,二 基片集成波导的应用,第5讲 基片集成波导,第15讲 基片集成波导,揖趴示刨赤蜒芭妹维釜盈烷强疼杖寒樟劲慑闲挪贾祥挝爹抖辜遭情塘撒枢第5讲基片集成波导 I第5讲基片集成波导 I,一 基片集成波导的传播特性第5讲 基片集成波导 第15,1,图1 基片集成波导结构图,泪沁巴亭戒柒寻诸频摸氦暂逻榴笆盂能东藩逻番右痛讶硝掀拎滥哮嘎濒滨第5讲基片集成波导 I第5讲基片集成波导 I,图1 基片集成波导结构图泪沁巴亭戒柒寻诸频摸氦暂逻榴笆盂能东,2,一 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,第15讲 基片集成波导,轩兜膀仁晚协蹬苑小勃氏否搁焦荧山楚穗避励涣哨一蛊秉牛痒箍尉胺琶栖第5讲基片集成波导 I第5讲基片集成波导 I,一 基片集成波导的传播特性第15讲 基片集成波导 轩兜膀,3,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,Be Easy Integrated,High Density Layout,Low Q-factor,High Insertion Loss for high f,Moderate Performance,Substrate Integrated,Waveguide(SIW),A recently proposed,guided wave structure,沸悲爽覆黔丫炎昨砒滚瀑卤兔卞缺况息谅龚条温零厨帽僵腾摧藏彬谰惩迫第5讲基片集成波导 I第5讲基片集成波导 I,About Guided Wave StructuresHi,4,基片集成波导,一 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。,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。,1.基片集成波导结构的实现方法及其分类,亡棚帝侍咐档惰岔域恳麻袭逐寄势薪稀植垒扁婪离酿篮腺赖长蛀磁蛹技享第5讲基片集成波导 I第5讲基片集成波导 I,基片集成波导 一 基片集成波导的传播特性微波毫米波电路的发,5,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。,1.基片集成波导结构的实现方法及其分类,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。,酿怜萧婪砚炊峻色昆铅字哥病玻五楷霖贿篮闽繁磕藻乾伍腋体痒揉畴心锚第5讲基片集成波导 I第5讲基片集成波导 I,基片集成波导(Substrate Integrated Wa,6,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。,1.基片集成波导结构的实现方法及其分类,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。,件详帖睡漆译葛牙砾湖耶楞温卞夺愁嘶厨侦侩充耍窑剃议矿次汞千泵喳罪第5讲基片集成波导 I第5讲基片集成波导 I,它与传统矩形波导不同的特点在于:它与有源器,7,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,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,去橱熙口盼援屡雁珊悠汲檀摈掘危耀碗李贞苞胯杰篇瞬箍剔匙瞧紧语乓蜒第5讲基片集成波导 I第5讲基片集成波导 I,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,8,图3 SIW与HMSIW的主模图,1.基片集成波导结构的实现方法及其分类,褥类症务壶霸舀渗拱墒嫉悲福忙员礼灶伴刷沟乞蜡疲鸥国扰悠钙胃蛮你支第5讲基片集成波导 I第5讲基片集成波导 I,图3 SIW与HMSIW的主模图1.基片集成波导结构的实现方,9,2.,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,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。,陌嗓豺沟杖铀畜遣梅喧牵盅熔笆萍恬岳膳啃纺膛峦溺囚屎潞印孟帆朗译瘦第5讲基片集成波导 I第5讲基片集成波导 I,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,10,2.,对基片集成波导与矩形波导等效的分析,SIW的等效宽度,a,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),矩形波导壁表面阻抗,SIW壁表面阻抗容性,SIW壁表面,阻抗感性,矩形波导壁表面阻抗,踏盼勾淆采钩菩膀爆匣讶瞩旬芳崇砒天瓮釜伤猛柑谓遭吃挎澳屑齿瑟跋蛹第5讲基片集成波导 I第5讲基片集成波导 I,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矩,11,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 Integral-,Resonant 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。,3.对基片集成波导结构的数值分析,越麻陀竖美厦肺涤赶酚娟绽咨恐略窿气仆询罩邮亨鞘池墨友济斋经渭胆螟第5讲基片集成波导 I第5讲基片集成波导 I,基片集成波导结构的分析方法:3.对基片集成波导结构的数值分析,12,图4 SIW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,3.对基片集成波导结构的数值分析,屿虾赞台袍慎殴卧眷怖树舜兹斥窟另湛详暑蜀漓轴廷谦康岳悲蝴簇煌啤唆第5讲基片集成波导 I第5讲基片集成波导 I,图4 SIW结构(a)波导端口(b)同轴端口一、通过端口,13,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,奉殖名釉党镇帧谬引集桐想岔失懦计穿悯逼汕侥革钙艾醇茸嗽氮北颠碱谤第5讲基片集成波导 I第5讲基片集成波导 I,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,14,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:,3.对基片集成波导结构的数值分析,(2-1),参见戴振铎的电磁理论中的并矢格林函数,右悟淖仗锦衙愈七显指清陶张因狐聪竟这莎纫警龟剃俯韧诣溢颈写袁抬该第5讲基片集成波导 I第5讲基片集成波导 I,下面我们推导用散射层叠的方法推导平行板波导的,15,,是圆柱矢量本征函数,,定义如下:,(2-2),其中,(2-3),3.对基片集成波导结构的数值分析,对于方程(2-1)针对,z,z,区域取上面的符号,针对,z,z,区域取下面的符号。,峡棕绑鞭帐由螟寻烽宏绰邵蚤由刮屑镇酌献插恋猩银梭捐怔腥菏嗣谈渍浪第5讲基片集成波导 I第5讲基片集成波导 I,16,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,A,1,、,A,2,、,B,1,和,B,2,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:,3.对基片集成波导结构的数值分析,韶泌账抠艘锦懦吸场蔡硼靡日饲翌婉厦匣搂睁坷夯沉韵孺洱柠躁代茁嘻万第5讲基片集成波导 I第5讲基片集成波导 I,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,17,(2-5),其中 ,方程(2-4)中的未知,矢量函数,A,1,、,A,2,、,B,1,和,B,2,分别为,(2-6),3.对基片集成波导结构的数值分析,衔窗劳泞舶炒谴潞蚀犀疏斤垄断舱肚桥秘规钞府悦意孵娩驮钝福痘伺迹招第5讲基片集成波导 I第5讲基片集成波导 I,3.对基片集成波导结构的数值分析衔窗劳泞舶炒谴潞蚀犀疏斤垄,18,其中 ,根据留数定理,由谱域积分可得,(2-7),3.对基片集成波导结构的数值分析,班却恬宾崔砸邀珠鸦傲奄果吠龙扁巡啡境滁份隧烈提烦鉴疲辟是凛狈哩仪第5讲基片集成波导 I第5讲基片集成波导 I,其中,19,其中,(2-8),3.对基片集成波导结构的数值分析,for m0,for m0,袖缴乳笋陈盛躲剐环色淀顿旺紊怔纲郑挞剧钦广者辙瑰酪詹羚湖棋诉肮援第5讲基片集成波导 I第5讲基片集成波导 I,其中3.对基片集成波导结构的数值分析for m0袖缴乳笋,20,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),3.对基片集成波导结构的数值分析,鼎箔椎翟狮由酉施蹋比阿冻五萝谗琵嘘捏仟捅科琶茵处藏铸刮淡域亢窝骆第5讲基片集成波导 I第5讲基片集成波导 I,用 替换,21,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),3.对基片集成波导结构的数值分析,捧泉祖馁获壁秒仅绕莆衷涂赡奏烫框针腰羹郴沉四烈色盼赡正锡都沦须宇第5讲基片集成波导 I第5讲基片集成波导 I,下面来分析金属通孔的影响:3.对基片集成波导结构的数值分析捧,22,(2-13),3.对基片集成波导结构的数值分析,卤蒜致僳技累颐蝇腕贩眩赠梆绪盼眉麦怨样恫孝策钳店览银绒浊虹双盆仇第5讲基片集成波导 I第5讲基片集成波导 I,(2-13)3.对基片集成波导结构的数值分析卤蒜致僳技累颐蝇,23,其中,(2-14),(2-15),(2-16),(2-17),电压激励系数,(2-20),蝎饵鳞混烃另指掘踏牡仍隧酉癌氦圣沾姨桩诫饱港覆隆宽啃跪腹亮锄炔培第5讲基片集成波导 I第5讲基片集成波导 I,其中电压激励系数(2-20)蝎饵鳞混烃另指掘踏牡仍隧酉癌氦圣,24,(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2,m,个矩阵方程。实际上由于基
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