第讲基片集成波导I
一种新型基片集成脊波导结构的设计
一种新型基片集成脊波导结构的设计1. 引言1.1 背景介绍脊波导是一种常用的光学波导结构，具有较高的光的传输效率和方向性。
传统的脊波导结构存在一些问题，比如光损耗较大、集成度不高等。
为了解决这些问题，研究人员提出了一种新型基片集成脊波导结构。
这种结构利用基片作为底部支撑层，通过一系列微加工工艺制备出具有特殊形状的脊波导结构，从而实现了更高的光传输效率和集成度。
这种新型结构在光通信、光传感等领域具有广泛的应用前景，因此引起了研究人员的广泛关注和研究。
本文旨在探讨这种新型基片集成脊波导结构的设计原理、制备工艺、性能分析以及实验结果，为其在实际应用中的推广和优化提供理论和实验基础。
1.2 研究目的本研究的目的是设计一种新型基片集成脊波导结构，以实现对光波导的高效控制和传输。
通过研究这种新型结构的设计原理和制备工艺流程，我们希望能够解决传统波导结构存在的一些问题，并进一步提高其性能表现。
具体来说，我们的研究目的包括以下几个方面：1. 提高波导的传输效率和带宽，以满足高速通信系统对光波导性能的需求；2. 优化波导的耦合效率，实现更高的能量传输效率；3. 探索新型波导结构在光子器件中的应用潜力，为光电子学领域的发展提供新的思路和解决方案；4. 通过性能分析和实验结果的验证，进一步验证新型基片集成脊波导结构的优势和可行性，为未来相关研究提供参考和借鉴。
2. 正文2.1 新型基片集成脊波导结构设计新型基片集成脊波导结构设计是本研究的核心内容，通过结合基片集成技术和脊波导结构，可以实现更高效的光学器件。
我们设计了一种特殊的基片结构，能够在光波导中实现更好的光场传输效果。
我们在基片上引入脊波导结构，进一步优化了光的传输路径，提高了光学器件的性能。
这种新型设计不仅能够减小器件尺寸，提高集成度，还能够改善器件的光学特性，使其具有更好的性能和稳定性。
在设计过程中，我们采用了先进的光学仿真工具进行模拟，通过调整各个参数的数值，优化了波导的结构参数，使其能够实现更高效的光场传输。
基片集成波导及其微带过渡的设计
舰 船 电 子 对 抗
ＳＨ Ｉ ＰＢ０Ａ ＲＤ ＥＬＥＣＴＲ０ Ｎ Ｉ Ｃ０ Ｕ ＮＴ ＥＲ Ｍ ＥＡ ＳＵ ＲＥ Ｃ
Ａ ｕ ．２ １ ｇ ０２
Ｖｏ ． ５ Ｎｏ ４ Ｉ３ ．
第 ３ ５卷第 ４期
基 片集 成波 导及 其 微 带过 渡 的设 计
赵 元 英 袁 皓 ，
收 稿 日期 ： ０ ２ ５—１ ２ １ —０ ０
０ 引 言
矩形 波导具 有 功 率 容量 大 、 耗 小 、 辐射 、 损 无 品 质 因数高 的特点 ， 高频波 段其优 势更 加 明显 ， 在 因此 在微 波 、 米波 电路 和系统 中被广 泛应 用 ， 在许 多 毫 现 毫米波 设备 的输 入 输 出端 口均 为 波 导形 式 。但 是 ， 由于其 体积 大 ， 量 大 ， 本 高 ， 须通 过 各 种 过渡 重 成 必
（． 国 电子 科 技 集 团公 司 １ 所 ， 家庄 ０ ０ ５ ；． １中 ３ 石 ５ ０ １ ２ 云南 大学 ， 明 ６０ ９ ） 昆 ５ ０ １
摘 要 ： 了工作 于毫米波频段 的基片集成波导 （Ｉ ， 了基片集成波 导及其微带过 渡的原理和结构 ， 推 设计 ＳＷ）阐述 公式
导 出过 渡 结 构 中各 种 参 数 的 计 算 方 法 ， 过 ＨＦ Ｓ软 件 进 行 仿 真 ， 作 了 ＳＷ 与 微 带 过 渡 的 样 品并 测 试 ， 果 表 明 通 Ｓ 制 Ｉ 结
ｔ ｎ ｌ Ｓ Ｓｌ ｓ ｈａ 一 １ Ｂ ｒ ｍ ５ ５ Ｇ Ｈ ｚｔ ７ ５ Ｇ Ｈ ｚ． ｕｒ Ｏ Ｓ ｉ ｅ ｓ ｔ ｎ ０ ｄ ｆｏ ３ ． ｏ ３ ．
Ｋｅ ｒ ： ｕｂ ｔ ａ ｅ ｉ ｅ ｒ ｔ ｄ ｗａ ｅ ｉ ｅ； ｃ ｏ ｔ ｉ ｒ ｎｓｔｏ ｉ ｐ ｄ ｎｃ ｙ ｗｏ ｄｓ ｓ ｓ ｒ ｔ ｎｔ ｇ ａ ｅ ｖ ｇｕ ｄ ｍｉｒ ｓ ｒｐ ｔ ａ ｉｉ ｎ；ｍ ｅ ａ ｅ
基片集成波导技术的研究共3篇
基片集成波导技术的研究共3篇基片集成波导技术的研究1随着科技的不断发展，无线通信和光通信成为人们生活中必不可少的一部分。
为了实现更高速、更安全、更稳定的通信，基片集成波导技术逐渐引起人们的关注。
本文将从基片集成波导技术的概念、特点、优势以及市场应用四个方面进行介绍。
一、基片集成波导技术的概念基片集成波导技术是利用半导体工艺技术将微波电路元器件制作在单片集成电路芯片制造过程中的一种技术。
也就是说，基片集成波导技术是把微波电路与基片电路有机的结合在一起，实现互联互通的技术。
二、基片集成波导技术的特点基片集成波导技术有以下三个特点：1. 集成度高：基片集成波导技术是通过将微波电路与单片集成电路进行结合，将微波元器件互联互通的功能与芯片电路进行有机的结合，从而实现电路的高度集成，大大简化了电路的结构，提高了系统的稳定性。
2. 小型化：由于基片集成波导技术体积小，微波电路在集成电路表面形成的结构也很小，可制成非常小型化的波导设备。
3. 精度高：基片集成波导技术采用的是微细加工技术，可以在芯片电路的表面上制造出微米级别的微波电路结构，精度高，噪声小，所以在高频传输上更加精准。
三、基片集成波导技术的优势基片集成波导技术具有以下优势：1. 技术成熟度高：基片集成波导技术是利用现有的半导体工艺技术进行制造，并且随着技术不断发展，技术成熟度也逐渐提高。
2. 互联互通性好：基片集成波导技术能够将微波电路与单片集成电路有机的结合在一起，常用于实现基于微波的无线通信和光通信的复杂系统互联互通。
由于网络的运行效率和稳定性强，所以基片集成波导技术被广泛应用于工业控制、通信系统和卫星通信等领域。
3. 成本低：由于基片集成波导技术采用的是微细加工技术，制造生产比较容易和快捷，因此成本低。
四、市场应用基片集成波导技术的市场应用包括无线通信、光通信、微波电子学、太阳能电池、卫星通信、雷达系统、无线电定位等领域。
总之，基片集成波导技术是一种非常重要的技术，可以满足人们对高速、高效、高精度无线通信和光通信的要求，同时也带来了很多商机和发展空间。
基片集成波导技术的研究
基片集成波导技术的研究一、本文概述随着现代通信技术的飞速发展，波导技术作为微波毫米波系统中的重要组成部分，其性能优劣直接关系到整个系统的传输效率和稳定性。
基片集成波导技术（SIW，Substrate Integrated Waveguide）作为一种新型的波导结构，近年来受到了广泛的关注和研究。
SIW技术结合了传统波导和微带线的优点，具有低损耗、高Q值、易于集成等优点，因此在微波毫米波集成电路、天线、滤波器等领域具有广阔的应用前景。
本文旨在全面介绍基片集成波导技术的研究现状、基本原理、设计方法以及应用实例。
我们将回顾SIW技术的发展历程，分析其相比于传统波导和微带线的独特优势。
然后，我们将详细介绍SIW的基本理论和设计方法，包括SIW的传输特性等效电路模型、模式分析以及优化设计等方面。
接着，我们将通过一些具体的应用实例，展示SIW技术在微波毫米波系统中的实际应用效果。
我们还将讨论SIW技术的未来发展趋势和研究方向，以期为相关领域的研究者提供有益的参考和启示。
通过本文的阐述，我们期望读者能够对基片集成波导技术有一个全面而深入的了解，为该技术的进一步研究和应用提供坚实的理论基础和实践指导。
二、基片集成波导技术概述基片集成波导技术（SIW，Substrate Integrated Waveguide）是一种在微波和毫米波频段内实现波导传输的新型平面传输线技术。
该技术通过在介质基片上集成金属化通孔阵列来模拟传统矩形波导的行为，从而实现了波导传输的平面化、小型化和集成化。
SIW技术自21世纪初提出以来，在微波毫米波系统、集成电路、天线等领域中得到了广泛的应用和研究。
SIW技术的主要优势在于其兼具了传统矩形波导和微带线等平面传输线的优点。
与微带线相比，SIW具有更高的Q值、更低的辐射损耗和更高的功率容量；与传统矩形波导相比，SIW则具有平面化、小型化、易于集成和加工成本低等显著优势。
SIW的这些特点使得它在微波毫米波系统中具有广泛的应用前景，尤其是在高性能、高集成度的系统中表现出色。
基片集成波导课件
第16页/共81页
3.对基片集成波导结构的数值分析
z G PPW |z0,h 0
(2-5)
其中 GPPW GFREE GS，方程(2-4)中的未知矢量函数A1、
A2.B1和B2分别为
A1
j
cos k0z (h z sin(k0 z h)
')
(t'' n
z)
A2
j
cos(k0z z ') sin(k0 z h)
e ( jk0zh
'' t n
z)
B1
[' n sin k0z (h
k sin(k0zh)
z
')
z]
(2-6)
B2
[' n sin k0z (h
第17页/共k81s页in(k0 z h)
z ')
z]e jk0 zh
3.对基片集成波导结构的数值分析
其中t / z z , 根据留数定理, 由谱域积分可得
Jr (kmaq )
H
( r
2)
(km
aq
)
H (2) nr
(km lq)e j(nr)lq
(2-14)
电压激励系数
TM q,r,m
Jr (kmaq )
H
(2) r
(kmaq
)
TM m,r
,q
(2-15)
j(1)rm (1 m0 )
vTM m,r,q
j
2k2mh
2
dr
'
M
'
n
(km
,
kzm
,
'
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。
基片集成波导的原理
基片集成波导的原理
基片集成波导（Substrate Integrated Waveguide，简称SIW）是一种在介质基片上实现传输电磁波的波导结构。
它利用微波电路和封装技术，使得传统的金属波导得以通过在介质基片上刻蚀几何结构来实现，从而实现微型化和集成化。
基片集成波导的原理如下：
1.介质基片：基片集成波导使用介质基片作为传输介质，通
常采用具有低介电损耗和高介电常数的材料，如陶瓷（LTCC）、石英、聚合物等。
介质基片具有规定的形状和厚度，用于形成波导的结构。
2.金属禁带：在介质基片上，通过在上方和下方各刻蚀一层
金属，形成金属禁带。
金属禁带用于限制电磁波能量在基片内的传播，从而形成波导效应。
3.模式传输：在基片上刻蚀特定的几何结构和尺寸，使得电
磁波在基片内以某种模式进行传输，例如TE模式（横电场模式）或TM模式（横磁场模式）等。
具体的结构形状和尺寸决定了不同模式的传输特性。
4.电磁波传输：通过在基片结构内的电磁波传输，波导效应
能够实现低损耗和低辐射的传输。
基片集成波导具有较高的带宽和较低的传输损耗，因此在微波和毫米波频段的应用中具有很大的潜力。
基片集成波导的优点包括尺寸小、成本低、集成度高、实现微
型化和集成化设计等。
这使得它在射频和微波电路、通信系统、雷达、天线等领域有广泛的应用。
第4章集成光波导1-2
7
§4.2 对称平板波导中的模式
▪ 图中画出了两个波的传播因子。图中被导波的净传播方向
是在水平方向上。传播因子在这个方向上的分量为：
k sin k0n1 sin.......... .......... .....4.3
▪ 通常称之为纵向传播因子。
k0
nneeffffckk00...k..0.n..1k.s.0i.n........n. 1..s.i.n...............................................44..67
▪ 对于波导中光的传播，等效折射率是一个关键参数，正如折
射率在非导向波传播中所起的作用。
图4.3 传输模式在Z字形路径上 的一个周期。波的相位沿传输路 径以及在反射面上发生变化。
§4.2 对称平板波导中的模式
——4.2.2 TE偏振和TM偏振
▪ 处理平面边界上的反射问题时，一般将其分解成两种可能的
偏振形态：电场强度矢量垂直于入射平面和平行于入射平面。
▪ 如图yz为入射面。电场指向x轴方向对应于垂直偏振，或称为
3
§4.1 电介质平板波导
▪ 电介质平板波导的结构如图4.1。电磁波主要在中间层传播，
其折射率为n1。中间层通常很薄，一般小于一个微米，称 为薄膜。薄膜夹在折射率分别为n2和n3的敷层与衬底之间。
▪ 光线通过内全反射被束缚在中心薄膜之中。只有当n2和n3都
小于n1时，才会发生内全反射。
图4.1 电介质波导 （n1>n2,n1>n3)
1
第4章 集成光波导
——在一个集成光网络中，光通过矩形电介质波导 在各个元件间传输。平板光波导在集成光学中的作 用与光纤相似，本章将研究光在平板波导中的传播 规律。学习光在平板波导中的传播特性有助于理解 光在光纤中的传播。
基片集成波导的原理
基片集成波导的原理
基片集成波导是一种将波导直接集成在基片上的光电路技术。
它
基于波导的工作原理，利用基片上的光学材料和结构形状来限制光在
基片上的传播。
基片集成波导的原理主要包括以下几个方面：
1. 光传输：基片集成波导中的光通常是沿着波导的传输方向进
行传播。
波导通常由两个具有不同折射率的材料层构成，其中一个材
料层具有较高的折射率用于限制光的传播，另一个材料层具有较低的
折射率用于光的引导。
2. 全反射：波导的结构形状通常设计为横截面呈现全反射条件，使得光在波导内部进行多次全反射。
这种结构可以保持光束的一致性，并使光沿着波导的方向传播。
3. 模式选择：基片集成波导中可以通过调整波导的几何尺寸和
材料参数来选择不同的传输模式。
不同的模式传输具有不同的模式场
分布、传输损耗和色散特性。
4. 耦合和分束：基片集成波导通常需要将入射光耦合到波导中，或者将波导中的光耦合到其他光器件中。
常用的耦合方法包括光纤耦合、光栅耦合、棒波导耦合等。
分束器件可以将波导中的光能够均匀
分配到不同的输出通道。
基片集成波导的原理使得光器件的集成化和微型化成为可能，能
够实现光电路的小型化、高性能和高密度集成。
这种技术在光通信、
光传感、光操控等领域具有广泛的应用前景。
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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
其中
n(k,,)H Jnn2((kk)e)ejnjn
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)
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。
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
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)
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。
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
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
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
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。
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
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 j40Βιβλιοθήκη ln4WR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
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