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2 基片集成波导器件设计基础
在介质基片上的通过金属化通孔阵构成的一种新型波导被称为基片集成波导（SIW）,具有与传统矩形波导相似的传输特性是它的一个重要性质，例如易于实际和品质因数高等，同时具有重量轻、体积小、易于集成和加工等重要特点，比传统矩形波导更加紧凑。基片集成波导可以广泛地被应用于微波和毫米波电路中。
2.1 基片集成波导器件的结构
图2-1描述了一个典型的单层基片集成波导的几何结构：
图2-1 基片集成波导结构
图2-1描述了一个典型的单层基片集成波导几何结构。中间部分是厚度为h的介质基片，其上下表面都是金属化层，两排金属化通孔在基片集成波导的两侧相隔一定距离排列，其中，金属化孔阵的周期为p，两排金属通孔的圆心之间的距离用WSIW表示，称作基片集成波导的宽度，介质基片的厚度为h，金属通孔的直径用D表示。这样就在两排金属化通孔及上下金属面之间构成了一个类似矩形波导的结构，称这种结构为基片集成波导。另外，多层基片集成波导结构可以利用低温共烧陶瓷(LTCC)和多层印刷电路板(PCB)技术来加工制造。传统矩形金属波导结构与其结构有类似特点。在后面的章节中，为了方便的叙述，如不作特别说明，将用以上符号表示基片集成波导参数。因此基片集成波导的电磁波传输特性与传统矩形波导的传输特性相类似。两排金属通孔就等效于传统矩形金属波导的两个金属侧壁的作用，介质基片的上下金属面相当于相应矩形波导的上下波导壁的作用。
2.2 基片集成波导馈电的缝隙
基片集成波导本质上是一个可以屏蔽电磁场的刚性结构，可以制成由波导中行波或驻波馈电的线阵天线。通过控制缝隙在波导上的位置，可以对缝隙幅度的激励进行控制。当缝隙切断波导上的电流时，波导内的电磁场便激励了缝隙，把波导内的能量耦合到自由空间。此时，缝隙可以视为接在波导上的一个阻抗或导纳元件。它的有功损耗就是向外的辐射，无功损耗就是向波导内的反射。可见基片集成波导馈电的缝隙可由其在等效电路中的等效阻抗或等效导纳来衡量。关于基片集成波导宽边上的缝隙，我们作如下假设：
1．缝隙的宽度是狭窄的，即长度/宽度>>1。
2．缝隙长度为谐振长度，也就是它的长度接近 。基片集成波导周围的环境，基片集成波导壁的厚度和缝隙在波导壁上的位置都会影响谐振长度。
3．电场的指向与缝隙的窄边平行，并沿缝隙的长度按正弦变化而与激励场无关。
4．基片集成波导中仅传输 模。
5．基片集成波导壁是理想导体，并无限薄。
2.3 电磁场分析软件在基片集成波导器件研究中的应用
需要针对求解目标的实际情况来选择合适求解电磁场问题的应用软件和算法。很明显，因为求解问题的复杂程度对软硬件会有不同要求，所以，首先要考虑计算机硬件能力的因素，通常是考虑算法的计算时间。当划分网格数少时，解决简单的问题多种算法需要的时间差不多。但是当网格数大量增加时，时域有限差分方法、时域有限积分方法则需要的时间和CPU计算时间有线性的联系，需要的时间随着网格数呈三次方的关系而增加的是矩量法，有平方关系的是有限元法。电磁场问题的主要分析手段是电磁场数值计算方法，被广大国内外工作者研究，并且因为随着对这些数值方法的不断成熟，不断出现了许多商业化的计算软件工具。
随着计算机的迅速发展、使用越来越方便的计算机，因为功能也越来越强大，这提供了电磁场问题的设计分析的方便性。研究对象的不同就需要不同的软件，主要是因为电磁场仿真软件和其核心的数值计算方法有着密切的联系。目前广泛使用的电磁场分析软件主要包括基于时域有限积分法的CST、基于有限元方法的HFSS以及Empire是基于时域有限差分法，基于矩量法的Microwave office、IE3D和nsemble等等。本文采用的是Ansoft HFSS。