SIW毫米波平面波导传输特性研究(3)
传播特性是基片集成波导(Substrate Integrated Waveguide - SIW)最基本的性质，对基片集成波导传播特性的分析是为其设计提供依据。基片集成波导是一种新型的波导结构，具有与矩形波导相似的传播特性。因此，我们从矩形波导入手，讨论它与矩形波导的相似性主要体现在哪些方面，又与矩形波导有哪些不同。在基片集成波导的具体设计过程中，满足什么约束条件才能等效为传统矩形波导，是本章介绍的内容。
2.1 SIW基本结构
基片集成波导的基本结构如下图所示，上下底面为金属层，中间为低损耗介质基片，介质基板上垂直加工两排有周期性间隔的金属柱。
图2.1.1 基片集成波导（SIW）立体示意图
每个金属柱的半径为 ，相邻金属柱间距为 。左右两排金属柱相当于矩形波导的侧壁，而PCB的上下金属面则代替了矩形波导的宽壁。
SIW的主模场结构与矩形波导类似，二者传输特性也有相似之处，不过由于通孔缝隙的存在，会对磁场产生一些微扰,可能会存在微波泄漏的影响。
根据研究，基片集成波导只能传输 TE模，这是由于基片集成波导的管壁由周期排列的金属化通孔构成，这种结构可以等效为在矩形波导的窄壁上横向开槽。根据矩形波导理论可知，如果开槽切割管壁电流，波导内的传输模式的能量将向空间辐射；若开槽不切割管壁电流，则基本不产生空间辐射。
图2.1.2 模矩形波导的管壁电流和管壁上的辐射性槽与非辐射性槽
如上图，由矩形波导中的 模管壁电流分布可知，窄壁横向开槽不切割横向电流，因此基片集成波导可以传输 模，其中 为主模。而对于矩形波导中的TM模，窄壁电流为纵向分布，横向开槽必然切割电流，从而产生较大的空间辐射，使得TM模在基片集成波导中无法传播，所以基片集成波导传输模式中只存在 模[6] [18][26]。
2.2 SIW等效矩形波导
图2.2.1矩形波导示意图
中空矩形波导可以传播TM模和TE模，但不能传播TEM波，与平行平板波导类似，矩形波导也有截止频率，低于这个截止频率就不能传播。
矩形波导的几何结构示意图如上，假定填充有介电常数为 和磁导率为 的材料。常规管理取宽边沿x轴，a>b。
填充介质的矩形波导 模几个主要参量如下：
截止波长： =2a (2-1a)
截止频率： (2-1b)
相移常数： (2-1c)
波导波长： (2-1d)
模的各场分量瞬时表达式：
根据基片集成波导等效矩形波导 各场分量表达式可知， 模的电场只有 分量，所以电力线是一些平行于y 轴的直线。在 横截面上， 随sin( πx/a)线性变化，电场强度只与 x 有关，而与 y 无关；沿 a 边（即宽边）电场按正弦规律变化，在 x=0 及x=a 处， =0，在 x=a/2 处， 具有最大值；沿 b 边（即窄边），电场无变化。若以电力线的疏密来表示电场的强弱，则电场横截面上的分布如图2.2.2(a)所示。由此可以看出，越接近波导壁的窄边，电场越弱，在 x=0 及x=a 的波导窄壁表面处有 =0。再看电场在波导纵向的分布，由式(2-2a) 可以看出，在x=a/2的yz 纵剖面上， 随 线性变化，可见， 沿z 轴成正弦分布，如图2.2.2(a)所示。如图2.2.2(b)所示，可见基片集成波导 TEn0模与等效矩形波导TEn0模有相同的电场分布。
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