中国科学技术大学：《微波技术基础》课程教学课件（讲稿）第五章 介质波导 Dielectric Waveguides

第五章介质波导DielectricWaveguides

第五章 介质波导 Dielectric Waveguides

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

S5.1概述一、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：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

§5.1 概述 3

S5.1概述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

4 §5.1 概述

二、几种常用的介质波导1、平板介质波导（DielectricSlabWaveguide）主模 TE1主模TMo78r8,$ 5.11概述接地板2、矩形介质波导（RectangularDielectricWaveguide）yt主模为E和Ei，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8X纵向场分量远小于横向场分量，因此基本可看成准TEM波5

5 §5.1 概述

3、镜像线（ImageLine）Z主模为Ei，本征模系列为E和Em。接地板解决了E"和E"简并问题，易做到x单模传输，传输频带更宽。3333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。$ 5.1缺点：介质与接地板间空气缝隙需粘合剂填充而增加损耗；有接地板概述yt带来的导体损耗。4、隔离镜像线（InsulatedImageLine）要求&>&，主模为Ei，本征模系列为NAE和E。引入8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。6

6 §5.1 概述

S5.1概述5、带状介质波导（SD）主模为E，要求8>6和8>83。场集中在层中，尤其是在中心介质条带下63方附近，有利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>，场集中在层81中，尤其是在中心介质条带上方，可以进一82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。场未紧紧限制在SD和IS结构内，弯曲等以上两种波导是弱导结构，会造成较大的辐射

7 §5.1 概述

85.2介质波导工作原理介质波导的分析方法主要分两种：身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。8O

§5.2 介质波导工作原理 8

一、介质波导中的平面波当均匀平面波斜入射无限大介质分界面时，相对于介质分界面建立的$5.2坐标系（称为结构坐标系），存在两种最基本形式的平面波：介质波导工作原理H平面波（TE）：电场只有平行于介质分界面的分量，磁场落在入1、射平面内，相对结构坐标系有三个场分量E、H、H。磁场只有平行于介质分界面的分量，电场落在入2、E平面波（TM):射平面内，相对结构坐标系有三个场分量H、E、E.。xni>n2n>n20.6HHn2n2ni2niZLHHHH平面波（TE）E平面波（TM)

9 §5.2 介质波导工作原理

特别注意：在上述过程中，已假定为传播方向，两种平面波的各场分量在y方向均无变化，即各场分量的a/y=0。$5.2利用麦克斯韦方程的分解，可以得到两种平面波对应的方程组：介质波导工作原理V×E(x,z)=-jouH(x,z)V× H(x,z)= j08E(x,z)H平面波（TE)E平面波（TM)aE,(x,z)aH,(x,z)aE.(x,z)aH.(x,z) j0sE,(x,z)-joμH (x,z)OzOzayayE,(x,z)aH,(x,z)oH (x,z)oE (x,z)-jouH.(x,z)josE.(x,z)axayayaxoH (x,z)aH.(x,z)aE,(x,z)oE.(x,z)= j08E,(x,z)-joμH,(x,z)OzaxOzaxaE,(x,z)oH,(x,z)= jouH (x,z)josE,(x,z)ozOzaE,(x,z)H,(x,z)-jouH.(x,z)= j0E.(x,z)axaxaH.(x,z)oE,(x,z)oH.(x,z)OE.(x,z)=-jouH (x,z)= jo8E,(x,z)OzOxOzax10

10 §5.2 介质波导工作原理