第五章介质波导Dielectric Waveguides
第五章 介质波导 Dielectric Waveguides
1958本章内容S5.1概述S5.2介质波导工作原理S5.3圆形介质波导S5.4矩形介质波导
本章内容 §5.1 概述 §5.2 介质波导工作原理 §5.3 圆形介质波导 §5.4 矩形介质波导 2
1958概述$5.1$ 5.1.1从金属波导、微带线到介质波导$ 5.1.2几种常用的介质波导
§5.1 概述 3 §5.1.1 从金属波导、微带线到介质波导 §5.1.2 几种常用的介质波导
1958s5.1.1从金属波导、微带线到介质波导在厘米波段，以往主要用封闭的金属波导作为传输系统，当时认为这是一种非常理想的微波传输线。上世纪60年代开始，以微带线为标志的微波集成技术获得了极大发展微带线在很大程度上代替了传统的金属波导。在35~250GHz的毫米波波段低端，微带线可用到60GHz，而微波集成技术还可以扩大其应用。但是工作频率再高，微带电路遇到了很多困难：结构尺寸变得过小，难于加工。1由于频率太高，金属不再是个好的导体，欧姆损耗增加。表面加工公差要求太严，粗糙的表面有大的损耗。色散和高次模变得更加显著
§5.1.1 从金属波导、微带线到介质波导 4 在厘米波段，以往主要用封闭的金属波导作为传输系统，当时认为这 是一种非常理想的微波传输线。 上世纪60年代开始，以微带线为标志的微波集成技术获得了极大发展， 微带线在很大程度上代替了传统的金属波导。 在35~250GHz的毫米波波段低端，微带线可用到60GHz，而微波集成 技术还可以扩大其应用。但是工作频率再高，微带电路遇到了很多困难： ①、结构尺寸变得过小，难于加工。 ②、由于频率太高，金属不再是个好的导体，欧姆损耗增加。 ③、表面加工公差要求太严，粗糙的表面有大的损耗。 ④、色散和高次模变得更加显著
1958$5.1.1从金属波导、微带线到介质波导（续为克服微带线存在的问题，人们在毫米波频段引入了新传输线形式一介质波导，它具有的主要特点如下：①、单模介质波导的横截面尺寸与入同一量级（而微带线为0.12）。②、介质波导的传输机理是电磁波在介质交界面的来回反射，而不依赖导体的存在，理论上不存在导体损耗。③、介质波导损耗主要来自于介质损耗和辐射损耗，后者主要由介质的弯曲、表面粗糙、接头等非均匀性产生。5
5 §5.1.1 从金属波导、微带线到介质波导（续） 为克服微带线存在的问题，人们在毫米波频段引入了新传输线形 式—介质波导，它具有的主要特点如下： ①、单模介质波导的横截面尺寸与同一量级(而微带线为0.1)。 ②、介质波导的传输机理是电磁波在介质交界面的来回反射， 而不依赖导体的存在，理论上不存在导体损耗。 ③、介质波导损耗主要来自于介质损耗和辐射损耗，后者主要 由介质的弯曲、表面粗糙、接头等非均匀性产生
195885.1.2几种常用的介质波导1、平板介质波导(Dielectric SlabWaveguide)主模TE1主模TMoCrCr接地板2、矩形介质波导(RectangularDielectricWaveguide）主模为E"和EX二者是简并的。本征模系列为E和E，本质上属于混合模。由于场的纵向场分量远小于横向场分量，因此基本可看成准TEM波Emmy：y方向的电极化一在V方向只有电场分量，没有磁场分量6一对V方向的TM波
6 §5.1.2 几种常用的介质波导 1、平板介质波导（Dielectric Slab Waveguide） 主模 TM0 接地板 主模 TE1 r r 2、矩形介质波导（Rectangular Dielectric Waveguide） 主模为 和 二者是简并的。本征模 系列为 和 ，本质上属于混合模。由 于场的纵向场分量远小于横向场分量，因 此基本可看成准TEM波。 11 y E 11 x E y E mn x E mn Emn y：y方向的电极化 – 在 y方向只有电场分量，没有磁场分量 – 对y方向的TM波 x y r
1958S5.1.2几种常用的介质波导（续1）3、镜像线y(ImageLine)主模为E，本征模系列为E。接地板解决-了E和E简并间题，易做到单模传输，传输频带更宽。优点：可制作在接地板平面上，接地板利于散热和给器件加偏置。缺点：介质与接地板间空气缝隙需粘合剂填充而增加损耗：有接地板带来的导体损耗。V4、隔离镜像线（InsulatedImageLine）要求&,>82，主模为E"，本征模系列为Emn和Em。引入&2介质层是为了减小导电板的导体损耗（起到隔离的作用）：典型的隔离镜像线是用氧化铝陶瓷或其它陶瓷材料做介质条带，用聚四氟乙烯或聚乙烯做隔离层
7 §5.1.2 几种常用的介质波导（续1） x y r 3、镜像线（Image Line） x y 1 2 主模为 ，本征模系列为 。接地板解决 了 和 简并问题，易做到单模传输，传输频 带更宽。 11 y E y E mn 11 y E 11 x E 4、隔离镜像线（Insulated Image Line） 优点：可制作在接地板平面上，接地板利于散热和给器件加偏置。 缺点：介质与接地板间空气缝隙需粘合剂填充而增加损耗；有接地板 带来的导体损耗。 要求ε1>ε2，主模为E11 y ，本征模系列为 Emn y和Emn x 。引入ε2介质层是为了减小导电 板的导体损耗（起到隔离的作用），典型的隔离镜像线是用氧化铝陶 瓷或其它陶瓷材料做介质条带，用聚四氟乙烯或聚乙烯做隔离层
195885.1.2几种常用的介质波导5、带状介质波导（SD）主模为E，要求>和>。场集中在8层中，尤其是在中心介质条带下方附近，有利83于散热和加直流偏置。6、倒置带状介质波导（IS)y主模为E，要求>&2，场集中在&层中，61尤其是在中心介质条带上方，可以进一步减小了导体损耗及介质表面粗糙造成的辐射损耗82又不要粘合剂。以上两种波导是弱导结构，场未紧紧限制在SD和IS结构内，弯曲等会造成较大的辐射
8 §5.1.2 几种常用的介质波导 x y 1 2 3 x y 1 2 5、带状介质波导（SD） 主模为E11 y，要求ε2>ε1和ε2>ε3。场集中在2 层中，尤其是在中心介质条带下方附近，有利 于散热和加直流偏置。 6、倒置带状介质波导（IS） 主模为E11 y，要求ε1>ε2，场集中在1层中， 尤其是在中心介质条带上方，可以进一步减小 了导体损耗及介质表面粗糙造成的辐射损耗， 又不要粘合剂。 以上两种波导是弱导结构，场未紧紧限制在SD和IS结构内， 弯曲等会造成较大的辐射
1958$5.2介质波导工作原理$ 5.2.1介质波导中的平面波$ 5.2.2半无限大介质的等效传输线$ 5.2.3介质分界面上的全反射和全折射$ 5.2.4古斯-亨切(Goos-Hanchen）位移$ 5.2.5介质波导中的典型波型OX
§5.2 介质波导工作原理 9 §5.2.1 介质波导中的平面波 §5.2.2 半无限大介质的等效传输线 §5.2.3 介质分界面上的全反射和全折射 §5.2.4 古斯-亨切(Goos-Hänchen)位移 §5.2.5 介质波导中的典型波型
195885.2介质波导工作原理介质波导的分析方法主要分两种：射线理论和波动理论射线理论：就是几何光学（GeometricalOptics，GO）方法，优点是简单和直观，但是在分析复杂问题时只能得出较粗糙的近似结果。波动理论：就是求解有限边界下的电磁场边值问题（即求解给定边界条件的偏微分方程），前述金属规则波导分析使用的就是波动理论。由于介质波导是一种开放或半开放式波导，所以其边界条件比金属波导多而复杂，因而介质波导的波动理论分析也要复杂得多。介质波导的传播机理是建立在介质分界面上电磁波全反射基础上的，因此利用射线理论并结合“路”的分析方法来研究介质分界面上波的反射和折射现象，具有简洁直观、概念清晰的特点，这是本章贯彻始终的基本方法。10
10 §5. 2 介质波导工作原理 介质波导的分析方法主要分两种：射线理论和波动理论。 射线理论：就是几何光学（Geometrical Optics, GO）方法，优点是 简单和直观，但是在分析复杂问题时只能得出较粗糙的近似结果。 波动理论：就是求解有限边界下的电磁场边值问题（即求解给定边 界条件的偏微分方程），前述金属规则波导分析使用的就是波动理论。 由于介质波导是一种开放或半开放式波导，所以其边界条件比金属 波导多而复杂，因而介质波导的波动理论分析也要复杂得多。介质波导 的传播机理是建立在介质分界面上电磁波全反射基础上的，因此利用射 线理论并结合“路”的分析方法来研究介质分界面上波的反射和折射现 象，具有简洁直观、概念清晰的特点，这是本章贯彻始终的基本方法