脊位于窄边的单脊波导传输特性

2009年芬兰Helsinki技术大学的A. Säynätjoki等人研究了在狭缝波导中采用倾斜侧壁结构的优越性。

采用倾斜壁狭缝结构波导的模式大多集中在狭缝的底部，有效模式的面积随着狭缝底部宽度的减小而减小，由此表明模式限制增强了。

倾斜壁原子层沉积生长，采用钛氧化物作为ALD的生长材料很好的用作狭缝的非线性填充材料。

<FEM—FimmWave 软件>（Advantages of Angled Sidewalls in Slot Waveguides------ A. Säynätjoki、T. Alasaarela、A. Khanna、L. Karvonen）2010年日本北海道大学Masa-aki KOMATSU等人研究了水平狭缝波导高非线性特性和低而平坦的色散特性。

数值模拟结果显示6000/W/m的非线性系数，平坦色散带宽为260nm,制作容差为±10nm。

<FEM>( Highly-Nonlinear Horizontal Slot Waveguides with Low and Flat Dispersion--- Masa-aki KOMATSU、Kunimasa SAITOH、Masanori KOSHIBA)2010年G. Pandraud等人研究了SiC-SiO2-SiC水平结构的狭缝波导。

1.3um的波导测试的准TM模式传输损耗为23.9±1.2dB/cm。

目前报道的最少损耗的垂直式50nm单狭缝波导的TE模的损耗约为11.6±3.6dB/cm。

SiC材料的折射率小于Si但是远高于SiO2，制作时有更高的容差能力。

N SiC=2.35，N SiO2=1.45，通过改变波导结构测得在狭缝厚为238nm，板厚为108nm条件下最大的限制功率为38%。

如果减小横向尺寸，那么准TE模式将会消失，而准TM模不会有太多的影响。

单脊波导缝隙阵天线的研究与设计吴琼;陈小强【摘要】缝隙波导具有频带宽、口面效率高等特点，根据道尔夫-切比雪夫口径分布法，用 MATLAB 软件编程对单脊波导缝隙天线阵列辐射缝隙参数进行计算，设计了一个8缝隙单脊波导缝隙阵天线，并利用三维电磁仿真软件 HFSS 对天线缝隙的参数进行优化，对天线的带宽特性进行了仿真研究。

结果表明，单脊缝隙波导的尺寸参数对带宽有影响，相对于矩形缝隙波导，单脊缝隙波导驻波带宽有较大幅度的展宽，研究结果可为缝隙脊波导在通信与雷达天线方面的应用提供参考。

%Slot waveguide is characteristic of wide frequency band and high aperture efficiency.This paper calculates the radia-tion slot parameters of the single-ridge waveguide slot antenna array using MATLAB software programming according to Ad-olf-Chebyshev aperture distribution method and designs an 8-slot single-ridge waveguide slot array antenna.Furthermore,it optimizes the gap parameters and simulates the bandwidth characteristics of the antenna using the three-dimensional electro-magnetic simulation software HFSS.The results indicate that the size parameters of the single-ridge waveguide slot affects the bandwidth and relative to the rectangular slot waveguide,the VSWR bandwidth of the single-ridge slot is substantially broad-ened,which provide a valuable reference for the applications of slot ridge waveguides in communications and radar antennas.【期刊名称】《光通信研究》【年(卷),期】2013(000)006【总页数】3页(P65-67)【关键词】单脊波导;缝隙天线;缝隙参数;带宽【作者】吴琼;陈小强【作者单位】兰州交通大学自动化与电气工程学院，甘肃兰州 730070;兰州交通大学自动化与电气工程学院，甘肃兰州 730070【正文语种】中文【中图分类】TN8200 引言波导缝隙阵因具有口面效率高、副瓣电平低以及口径分布容易控制等优点而得到了广泛的应用，特别是在雷达和通信领域的运用越来越多［1］。

条波导脊波导
条波导（strip waveguide）是一种常用的电磁波传输结构，由一块矩形截面的金属或电介质板构成。

它具有两个平行的金属壁，中间填充着电介质材料。

电磁波在波导内部以电磁场的形式传输。

脊波导（ridge waveguide）是条波导的一种变体，它在条波导的基础上增加了一个中央凸起的脊。

这个脊使得电磁波沿着脊的方向传播，从而减少了波导的模式数量和带宽，同时也增加了波导的耦合效率。

条波导和脊波导在微波和光波通信系统中广泛应用，它们可以用于传输、激光器、放大器等电磁波装置中。

目录引言 (1)1 概述 (2)1.1电磁场边值问题的解法 (2)1.1.1解析法 (2)1.1.2数值法 (2)1.2 FDM算法的发展 (2)1.3 脊波导 (3)1.3.1脊波导简介 (3)1.3.2脊波导的特点 (4)1.3.3电磁波在波导内传播的特点 (4)1.4 本文的主要工作 (5)2 有限差分法（FDM）的基本原理 (6)2.1有限差分法的基本概念 (6)2.2基本差分公式 (6)2.3差分方程的求解过程 (8)2.4有限差分法的计算步骤 (10)3 用FDM法分析脊形波导问题 (12)3.1理论分析 (12)3.1.1波导中的电磁场方程 (12)3.1.2亥姆霍兹方程的差分表达式 (13)3.2用差分法求解波导问题的计算框图 (16)3.3 数值计算结果及讨论 (18)3.3.1单脊波导TM波的计算 (18)3.3.2双脊波导TM波的计算 (19)3.4结果分析 (20)3.4.1单脊波导的TM波计算结果与比较 (20)3.4.1.1用有限差分法分析TM波在单脊波导中的传输特性 (20)3.4.1.2本文值与文献值比较 (21)3.4.1.3不同尺寸单脊波导的截止频率计算 (21)3.4.2 双脊波导的TM波计算与比较 (22)3.4.2.1用有限差分法分析TM波在双脊波导中的传输特性 (22)3.4.2.2不同尺寸双脊波导的截止频率计算 (22)3.5本章小结 (23)4结论与展望 (25)4.1结论 (25)4.2展望 (26)致谢 (27)参考文献 (29)附录A 外文文献 (30)附录B 外文文献译文 (36)附录C 牛顿迭代法 (43)附录D 计算单脊波导TM波截止频率的程序 (44)附录E 计算双脊波导TM波截止频率的程序 (46)引言随着科学技术的发展，微波技术的应用已渗透到了科学领域的许多方面，如无线通信、全球定位系统、雷达以及电子和计算机工程学科中。

发展至今，用于求解各类电磁场边值问题的方法已经为数众多，从数学分析的角度看，这些方法通常可以归结为四大类型，即严格解析方法、近似解析方法、数值方法和半数值方法。

脊形波导中导模传输与损耗的分析与计算脊形波导是一种在半导体微波电子学中常用的结构，在高普通频段
工作时它无可称道的优势可以得到有效的发挥。

本文主要研究脊形波
导中导模传输与损耗的分析计算，包括以下几个方面:
1. 导模的计算：计算脊形波导n层结构中出现的导模，包括传播常数、介质折射率与传播波长等。

2. 损耗分析：计算脊形波导n层结构中损耗最大处，利用散射矩阵方
法和数值模拟模型分析脊形波导损耗本构的参数，以便是最大损耗变
得更加明显。

3. 谐振频率调整：计算脊形波导n层结构中谐振频率的变化，包括金
属板层数的变化以及导模的变化，以找到最佳的谐振频率。

4. 射频设计：利用计算结果设计脊形波导的射频器件参数，包括频率
选择、封装模具调整、传输长度与谐振频率等。

5. 分析电路：搭建脊形波导电路，以加深对理论计算结果的理解，分
析电路中导模传输与损耗行为。

本文通过对脊形波导n层结构中导模传输与损耗的分析计算，提出了
一种具有可行性的设计方案，使得实际的脊形波导能够高效的工作、
发挥出强大的射频能力。

另外，还提出了一些有关射频设计的工作，
例如元件设计以及封装模具调整等，期望能够获得更好的传输参数与更低的损耗行为。

基片集成脊波导传输特性的研究栾秀珍;房少军【摘要】将构成基片集成脊波导脊的一排金属针等效成实金属脊。

基于基片集成波导等效宽度计算公式推导了基片集成脊波导等效脊宽的计算公式。

运用横向谐振法推导了TEm0模基片集成脊波导截止频率的计算公式,同时运用这些公式分别计算了TE10模、TE20模和TE30模基片集成脊波导的截止频率,并与仿真软件计算的结果和参考文献所给结果进行了比较。

结果显示：利用所给公式计算的结果具有较高的精度,且使用方便。

此外,还研究了截止频率与脊宽和脊隙之间的关系,对一种适合宽带应用的宽脊结构进行了讨论。

%Ridge of a ridge substrate integrated waveguide（RSIW） made of a linear metallic via array is equivalent to a solid metallic ridge.Based on the equivalent width analytical formulas of substrate integrated waveguide（SIW）,the calculating formulas of equivalent ridge width are given in the paper.The formulas for calculating the cut-off frequency of TEm0modes RSIW are derived by transverse resonant method.The cut-off frequencies of TE10 mode,TE20 mode and TE30 mode are calculated using the formulas given in thispaper,respectively,and compared with the simulated results by HFSS and the calculated results given in reference.The comparison results show that the formulas given in this paper have higher precision,and are handy.The relationships of cut-off frequency versus ridge width and ridge gap are studied,and a wide ridge RSIW structure for wide bandwidth application is discussed.【期刊名称】《电波科学学报》【年(卷),期】2012(027)001【总页数】5页(P102-105,127)【关键词】基片集成脊波导;等效脊宽;横向谐振法;截止频率【作者】栾秀珍;房少军【作者单位】大连海事大学信息科学技术学院,辽宁大连116026;大连海事大学信息科学技术学院,辽宁大连116026【正文语种】中文【中图分类】TN820.15引言近年来，基片集成波导得到了广泛的研究和应用。

矩形变形脊波导主模截止波长研究李锦屏;唐益文;周云【摘要】为了满足微波传输系统性能的某些需求,各种结构形状的新型波导应运而生.本文采用有限差分法,利用Matlab计算了脊变形之中脊下陷矩形波导的传输特性,并对计算结果进行了对比分析,得出了在改变波导内部脊的位置、形状和大小等不同几何尺寸情况下的波导主模截止波长,通过分析,变形可以改变传输特性的调节范围,对微波工程有很重要的参考价值和指导意义.【期刊名称】《兰州交通大学学报》【年(卷),期】2010(029)004【总页数】4页(P28-31)【关键词】脊波导;主模;截止波长;有限差分法【作者】李锦屏;唐益文;周云【作者单位】兰州交通大学,电子与信息工程学院,甘肃,兰州,730070;兰州交通大学,电子与信息工程学院,甘肃,兰州,730070;兰州交通大学,电子与信息工程学院,甘肃,兰州,730070【正文语种】中文【中图分类】TN0150 引言脊波导作为一种重要的微波传输线,自20世纪40年代开始研究其特性以来,因其与相同尺寸普通波导相比具有单模带宽更宽、主模截止波长更长、工作频带更宽、等效特性阻抗更低等许多优势被广泛应用到毫米波系统.由于脊波导的边界条件比普通波导复杂,脊波导元件的分析和设计比普通矩形波导元件复杂的多.在现代微波工程中,为了满足微波传输系统性能的某些需求,需要不断探索和研究具有特殊截面形状的各类新型波导.复杂结构的脊波导因加载脊的原因而具有一些特殊性能,对其精确求解往往能加强实际应用性.文献[1]已对矩形变形脊波导的主模截止波长进行了计算和比较,本文将针对脊下陷情况中的矩形波导,采用有限差分法计算其主模截止波长.1 理论分析以求解波导中的TE模为例,有关有限差分法的基本原理可参考文献[2].若以φ标记为相应的纵向分量,则波导中TE模式传输的电磁波在横截面内应满足的波动方程及边界条件为式中:为横向拉普拉斯算子.脊下陷波导的截面图如图1所示.图中a和b是单脊波导的外部尺寸,s2是大脊的宽度,s1是下陷部分的宽度,d2是下陷部分距离顶端的高度,d1是大脊距离顶端的高度,c是大脊距离边界的宽度.图1 变形脊波导Fig.1 Changed rectangular waveguide对图1所示变形脊波导,波导内空间用同一步长h的正方形进行网格状离散,用各离散点上函数的差商来近似代替该点的偏导数,把微分方程变为差分方程.将需求解的边值问题转化为一组相应的差分方程.由此构成的差分方程组,可用矩阵表示为式中:k为矩阵系数;φ是以网格节点上的待求场量φi为分量的列向量;而数值β为特征值,其对应的截止波长满足下式:因此,解出矩阵k的特征向量,由β的最小非负特征值求得的截止波长即为主模截止波长.2 计算结果和讨论文献[1]中已验证了此种方法计算结果相对误差不超过0.5%,满足工程计算的误差要求.本文将图1所示的变形脊波导有关数据以表格形式给出,并绘出它们的相应变化趋势图.先假设d1=d2,s1=s2的矩形脊波导,取s1/a=0.3,固定脊的宽度,改变脊的高度,使脊从左侧逐渐向中间移动,表1的计算结果显示了脊的位置对其传输特性的影响.图1显示了当脊从左侧1/4处向中间位置移动时,即c/a增加时,归一化截止波长λc/a 的变化趋势,计算结果显示最大值出现在中间位置.同时,无论脊的位置如何,截止波长都会随着脊的高度的减小而减小.表1 s1/a=0.3改变脊位置时波导主模归一化截止波长λc/aTab.1 Dependence of the cutoff wavelength on the ridge position for s1/a=0.3 with dif ferent c/a and d1/bd1/b c/a 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 0.1 3.957 2 3.151 02.754 1 2.500 2 2.321 9 2.194 2 2.104 5 2.045 2 2.010 9 0.2 4.882 23.778 23.225 2 2.864 1 2.600 2 2.398 1 2.242 3 2.125 4 2.043 1 0.3 5.295 54.065 9 3.445 0 3.037 0 2.735 9 2.501 5 2.315 8 2.170 7 2.062 2 0.355.345 4 4.100 8 3.471 9 3.058 2 2.752 7 2.514 4 2.325 1 2.176 5 2.064 8图2 脊波导截至波长变化趋势图(s1/a=0.3)Fig.2 Changing trend o f cutoff wavelength on rectangu lar waveguide(s1/a=0.3)再假设脊的位置处于波导的中央.表2为d1/ b=0.1,s2/a=0.6时改变下陷脊高度及宽度时波导主模归一化截止波长,即脊的高度及宽度确定,改变下陷脊比例时的截止波长.由表2的计算结果可知当下陷脊的深度一定时,下陷脊的宽度越小,截止波长越大;而下陷脊的宽度一定时,其深度对截止波长的影响不大,只在下陷脊较宽及深度较小时,截止波长随深度的加大略有减小.图3显示了这一变化规律.表3为d2/b=0.9,s1/a=0.1时改变脊的高度及宽度时波导主模归一化截止波长,即确定下陷脊的高度及宽度,改变脊比例时的截止波长.由表3的计算结果可知当脊的高度一定时,当宽度接近总长度的一半时,即s2/a=0.4-0.5时,,截止波长最大,若使脊的宽度过大或过小都会减小截止波长;当脊的宽度一定时,截止波长随着脊的高度的减小而减小.图4显示了这一变化规律.表2 d1/b=0.1,s2/a=0.6改变下陷脊高度及宽度时波导主模归一化截止波长Tab.2 Dependence of the cutoffwavelength on the ridge position ford1/b=0.1,s2/a=0.6 with different s1/a and d2/bd2/b s1/a 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 0.1 5.208 4 5.196 5 5.195 7 5.195 7 5.195 7 5.195 7 5.195 7 5.195 7 0.2 5.033 8 4.960 9 4.944 4 4.940 4 4.939 4 4.939 2 4.939 1 4.939 1 0.3 4.854 2 4.700 1 4.649 6 4.630 9 4.623 6 4.620 8 4.619 7 4.619 2 0.4 4.673 9 4.429 9 4.335 7 4.293 3 4.273 1 4.263 2 4.258 3 4.255 9 0.5 4.494 4 4.150 9 4.004 8 3.931 6 3.892 2 3.870 2 3.857 8 3.850 6表3 d2/b=0.9,s1/a=0.1改变脊高度及宽度时波导主模归一化截止波长Tab.3 Dependence of the cuto ff wavelength on the ridge position ford2/b=0.9,s1/a=0.1with different s2/a and d1/bs2/a d1/b 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.2 4.777 3 3.831 1 3.302 0 2.936 4 2.659 2 2.440 6 2.267 8 2.137 0 0.3 5.142 1 4.021 0 3.426 2 3.026 7 2.728 7 2.495 0 2.309 2 2.164 9 0.4 5.320 6 4.100 0 3.471 6 3.057 2 2.751 7 2.513 9 2.325 1 2.177 2 0.5 5.337 1 4.080 7 3.446 8 3.034 3 2.733 4 2.501 2 2.318 2 2.175 2 0.6 5.195 7 3.964 4 3.352 7 2.959 0 2.674 8 2.458 0 2.289 5 2.159 4 0.7 4.886 1 3.745 7 3.186 1 2.829 6 2.575 3 2.384 8 2.240 1 2.131 0 0.8 4.380 6 3.409 7 2.937 7 2.640 22.432 4 2.281 8 2.171 6 2.091 8 0.93.615 6 2.920 6 2.584 4 2.378 6 2.242 7 2.150 8 2.087 9 2.045 0图3 变形脊波导截至波长变化趋势图(d1/b=0.1, s2/a=0.6)Fig.3 Changing trend of cutoff wavelength on changed rectangu larwaveguide(d1/b=0.1,s2/a=0.6)图4 变形脊波导截至波长变化趋势图(d2/b=0.9, s1/a=0.1)Fig.4 Changing trend of cutoff wavelength on changed rectangu larwaveguide(d2/b=0.9,s1/a=0.1)3 结论脊波导内脊的位置、形状和大小会影响主模的截止波长.既可以通过改变脊的形状,又可以通过改变脊的位置来调整主模的截止波长.结论如下:1)当脊从左侧1/4处向中间位置移动时,即 c/a增加时,归一化截止波长λc/a逐渐增大,即最大值出现在中间位置.2)确定脊的高度及宽度,改变下陷脊比例.当下陷脊的深度一定时,下陷脊的宽度越小,截止波长越大;而下陷脊的宽度一定时,其深度对截止波长的影响不大,只在下陷脊较宽及深度较小时,截止波长随深度的加大略有减小.3)确定下陷脊的高度及宽度,改变脊比例.当脊的高度一定时,宽度接近总长度的一半时,截止波长最大;当脊的宽度一定时,截止波长随着脊的高度的减小而减小,最小可接近λc/a=2的矩形波导截止波长.本文使用有限差分法计算了变形脊波导中主模归一化截止波长随脊及下陷脊宽度及高度变化的数值,分析了脊尺寸对脊波导归一化截止波长的影响.本文计算结果,对工程设计具有一定的指导作用.参考文献:【相关文献】[1] 李锦屏,杜丽霞,陈伟.矩形变形脊波导主模截止波长的计算[J].半导体光电,2008,29(5):677-679.[2] 王秉中.计算电磁学[M].北京:科学出版社,2002:19-51.[3] M ai Lu,Paul J.Leonard.Dependence of ridge position on the cutoff w ave-length o f the dominantmode in single ridge w aveguides[J].M icrow ave and Optical Techno logy Letters,2002,34:374-377.[4] Py le JR.The cutoff w avelength of the TE10 mode in ridged rectangular w aveguide of any aspect ratio[J]. IEEE Trans M icrow ave Theory Tech,1966(M TT-14):175-183.[5] 孙海,褚衍东.非对称单脊波导主模截止波长的数值计算[J].兰州交通大学学报,2006(3):84-88.[6] Rong Y,Zaki K A.Characteristics of generalized rectangular and circular ridgew aveguides[J].IEEE Trans M icrowave Theory Tech,2000(M TT-48):258-265.[7] 何红雨.电磁场数值计算法与MATLAB实现[M].武汉:华中科技大学出版社,2002.。

矩形双脊波导传输特性研究李龙洲;雷前召;张修兴【摘要】为了寻找最佳传输特性的波导结构,通过矩形波导内电磁波的波方程、矩形波导内截止波长特性,结合微扰理论以及时域有限差分法研究矩形波导、双脊波导内电磁波传播特性,计算分析矩形波导、双脊波导截止波长随波导结构尺寸的变化.结果表明:双脊波导的脊间距越小,单模带宽越大,矩形双脊波导的截止波长较同尺寸矩形波导大;模拟的双脊波导内电磁波主模与第一高次模的场结构图显示,在对称双脊波导的脊点处场强变化、能量损失最大.【期刊名称】《济南大学学报（自然科学版）》【年(卷),期】2018(032)006【总页数】5页(P516-520)【关键词】矩形波导;脊波导;微扰理论;时域有限差分法;截止波长【作者】李龙洲;雷前召;张修兴【作者单位】渭南师范学院数理学院,陕西渭南 714099;渭南师范学院数理学院,陕西渭南 714099;渭南师范学院数理学院,陕西渭南 714099【正文语种】中文【中图分类】TN62当今世界，波导的应用已经非常普及，光纤甚至铺设到世界每个角落。

利用波导传输光电信息不仅能够克服光、波在空中传播的扩散，而且能够有效克服外界干扰[1]。

在波导中传播的电磁场形式(即电磁场结构)又称为电磁波传输模式。

Cohn[2]于1947年率先将脊波导应用于导波系统，较好地克服了矩形波导传输电磁波信号时特性阻抗大[3]、截止频率高、带宽窄的缺陷[4-5]，且能够多模传输[6]，因此随后脊波导在微波和毫米波器件中得到快速普及[7-8]。

这些微波、毫米波器件包括宽带传输测试系统，宽带脊波导滤波器[9]，微波导管中的变频器、移相器，低阻抗负载匹配时的波导过渡以及定向耦合器、双工器[10-11]、脊波导缝隙天线以及功率分配器(简称功分器)等[12]。

功分器已经广泛应用于相控阵雷达、天线馈线系统以及功率放大器等微波设备中。

分析脊波导内的电磁场及其分布、波导截止频率[13]常用的方法有变分法、矩量法、有限元法[14-15]、有限差分法[16-17]等。

脊波导的截止频率
脊波导是一种用于微波频段的传输线，其特点是具有较高的传输效率
和较低的传输损耗。

在脊波导中，电磁波是通过沿着导体表面的脊线
传输的，因此也被称为脊线波导。

脊波导的截止频率是指在该频率以下，电磁波无法在脊波导中传输。

脊波导的截止频率取决于其结构参数，包括导体宽度、脊线高度、脊
线宽度等。

一般来说，脊波导的截止频率越高，其传输效率就越高，
但也会伴随着更高的制造成本和更大的尺寸。

在实际应用中，脊波导的截止频率需要根据具体的应用需求进行选择。

例如，在雷达系统中，需要传输高频率的微波信号，因此需要选择截
止频率较高的脊波导。

而在通信系统中，由于需要传输的频率较低，
因此可以选择截止频率较低的脊波导。

除了截止频率外，脊波导还有一些其他的性能指标，例如传输损耗、
驻波比等。

这些指标也需要根据具体的应用需求进行选择和优化。

总之，脊波导的截止频率是其重要的性能指标之一，需要根据具体的
应用需求进行选择。

在实际应用中，还需要综合考虑其他性能指标，
以达到最优的传输效果。

专利名称：一种宽带共面波导转脊波导的馈电结构专利类型：发明专利
发明人：吴亮,陶征,程伟
申请号：CN202210542467.3
申请日：20220519
公开号：CN114639954A
公开日：
20220617
专利内容由知识产权出版社提供
摘要：本发明提供了一种宽带共面波导转脊波导的馈电结构，包括：位于金属腔体内部的多个脊波导和多个间隙波导，多个间隙波导主要由EBG结构构成；位于金属腔体一侧的共面波导；其中，共面波导从脊波导的窄边与脊波导进行馈电连接。

其中，共面波导和金属腔体的贴合基于EBG结构的间隙波导进行贴合，该人工周期磁边界EBG结构可降低安装的电封闭性要求，并且共面波导通过从所述脊波导的窄边与所述脊波导进行馈电连接，在实现两种不同传输线的射频信号传输的情况下，解决了阻抗失配的问题，并且该馈电结构还具有低反射系数、低损耗、宽频带和易加工等优点。

申请人：南京慧尔视智能科技有限公司
地址：211100 江苏省南京市江宁区苏源大道19号九龙湖国际企业总部园B1座7层
国籍：CN
代理机构：北京集佳知识产权代理有限公司
代理人：张影
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