北大天線理論課件第六章 微帶天線.doc

第六章 縫隙天線與微帶天線6.1 縫隙天線縫隙天線：開在波導(dǎo)或諧振腔上縫隙，用以輻射或接收電磁波。6.1.1 理想縫隙天線理想縫隙天線：開在無限大、無限薄的理想導(dǎo)體平面上的直線縫隙，用同軸傳輸線激勵。假設(shè)位于平面上的無限大理想導(dǎo)體平面上開有寬度為（）、長度的縫隙?？p隙被激勵后，只存在垂直于長邊的切向電場，并對縫隙的中點呈對稱駐波分布，其表達示為：-縫隙中間波腹處的場強值。縫隙相當(dāng)于一個磁流源，由電場分布可得到等效磁流密度為：等效磁流強度為：也就是說，縫隙可等效成沿Z軸放置的、與縫隙等長的線狀磁對稱陣子。根據(jù)對偶原理，磁對稱陣子的輻射場可由電對稱陣子的輻射場對偶得出。對于電對稱陣子，電流分布為：輻射場表達式：由此得到半空間，磁對稱陣子的輻射場為：在的半空間，電場和磁場的符號與上式相反。理想縫隙與電對稱陣子：1) 理想縫隙與電對稱陣子為互補天線；2) 方向性相同，其方向函數(shù)為：3) 場的極化不同，H面、E面互換，理想縫隙E面無方向性，對稱陣子H面無方向性；4) 二者輻射阻抗、輸入阻抗乘積為常數(shù)，即：輻射電阻輻射阻抗輸入阻抗任意長度的理想縫隙天線的輸入阻抗、輻射阻抗均可由與其互補的電對稱陣子的相應(yīng)值求得。例如，半波對稱陣子的輻射阻抗為，理想半波縫隙天線的輻射電阻應(yīng)為： 由于諧振電對稱陣子的輸入阻抗為純阻，因此諧振縫隙的輸入阻抗也為純阻，并且其諧振長度同樣稍短于，且縫隙越寬，縮短程度越大。6.1.2 縫隙天線最基本的縫隙天線是開在矩形波導(dǎo)臂上的半波諧振縫隙，如下圖所示。1） 波導(dǎo)壁電流分布波導(dǎo)內(nèi)傳輸?shù)闹髂槟?，波?dǎo)壁上有橫向和縱向電流分量，見上圖。橫向電流沿寬邊呈余弦分布，中心處為零；縱向電流沿寬邊呈正弦分布，中心處最大。波導(dǎo)窄壁上只有橫向電流，且沿窄邊均勻分布。2） 波導(dǎo)縫隙輻射縫隙：縫隙切斷電流線，中斷的電流線以位移電流的形式延續(xù)，縫隙因此受到激勵，波導(dǎo)內(nèi)傳輸?shù)墓β释ㄟ^縫隙向外輻射，見圖中的a,b,c,d,e。非輻射縫隙：縫隙與電流線平行，不能激勵電場，不具有輻射能力，見圖中f。3） 波導(dǎo)縫隙與理想縫隙的區(qū)別a) 結(jié)構(gòu)尺寸的限制，邊界條件不同，存在繞射；b) E面方向圖發(fā)生畸變，H面方向圖差別不大；c) 輻射功率和輻射電導(dǎo)為理想縫隙天線的一半。4） 波導(dǎo)縫隙的等效電路波導(dǎo)開縫會對波導(dǎo)內(nèi)部的傳輸特性產(chǎn)生影響，可以將縫隙等效成傳輸線上并聯(lián)導(dǎo)納和串聯(lián)阻抗，結(jié)合微波網(wǎng)絡(luò)理論對其影響進行分析。波導(dǎo)開縫方式不同，縫隙的等效電路也不同。下圖給出了各種波導(dǎo)縫隙的等效電路。如果縫隙的長度等于諧振長度，等效阻抗或?qū)Ъ{只有實部，虛部為零。下圖給出了三種典型縫隙，其歸一化電阻或電導(dǎo)與位置參數(shù)的關(guān)系為：6.1.3 縫隙天線陣由開在波導(dǎo)上按一定規(guī)律排列、尺寸相同的縫隙構(gòu)成。這里主要介紹幾種縫隙陣。6.1.3.1 諧振式縫隙陣所有縫隙同相激勵，最大輻射方向與天線軸線垂直，是邊射陣。常見的諧振式縫隙陣如下圖所示。圖（a）為開在寬壁上的橫向縫隙陣，相鄰縫隙間距為，以保證同相激勵。缺點是存在柵瓣，增益低，因此很少采用。圖（b）為在寬壁中心線兩側(cè)每隔交替開縱向縫隙組成的縫隙陣。利用中心線兩側(cè)對稱位置處橫向電流反相、沿波導(dǎo)每隔場強反相的特點保證同相激勵。6.1.3.2 非諧振式縫隙陣波導(dǎo)端接吸收負載，波導(dǎo)內(nèi)部傳輸行波，縫隙間距不等于，陣源非同相激勵。圖（a）結(jié)構(gòu)，相鄰縫隙的相位依次滯后。圖（b）結(jié)構(gòu)，相鄰縫隙波程差帶來的相位差為，附加相移為，總的相差為。由均勻直線陣的分析可知，當(dāng)時，方向函數(shù)取得最大值，由此可得非諧振縫隙天線陣的最大輻射方向偏離陣法線的角度為：可見最大輻射方向隨的變化而改變，而與頻率有關(guān)，因此非諧振式縫隙陣可實現(xiàn)頻率掃描。6.1.3.2 匹配斜縫隙陣波導(dǎo)壁上開有諧振斜縫，終端端接匹配負載，構(gòu)成匹配斜縫隙陣。下圖為開在波導(dǎo)寬壁上的匹配斜縫隙陣。適當(dāng)調(diào)整縫隙對中心線的偏移、斜角和附近螺釘，可使縫隙歸一化等效導(dǎo)納，且同相激勵，最大輻射方向與寬壁垂直。以上介紹的波導(dǎo)縫隙陣的方向圖可由方向圖乘積定理得到，陣元方向圖為半波對稱陣子的方向圖，陣因子取決于相鄰縫隙的間距和激勵的相位差。6.2 微帶天線微帶天線是敷于介質(zhì)基片上的導(dǎo)體貼片和接地板構(gòu)成。如下圖所示。微帶天線的優(yōu)缺點： 體積小、成本低、重量輕、低剖面，易于與載體共形； 散射截面小、波瓣寬； 易于和微帶電路集成； 易于實現(xiàn)線極化、圓極化、雙極化和雙頻段工作； 帶寬窄、增益低、功率容量低（100W）。貼片的形狀：微帶天線的分析方法： 數(shù)值方法 如全波分析方法，包括頻域混合勢積分方程法（MPIE）和時域有限差分法（FDTD）等。算法精度高、編程復(fù)雜。 近似方法如腔模理論和傳輸線法等，算法相對簡單。6.2.1矩形微帶天線導(dǎo)體貼片為矩形的微帶天線，由傳輸線或同軸探針饋電，在貼片與接地板之間激起高頻電磁場，并通過貼片四周與接地板之間的縫隙向外輻射。矩形微帶貼片可看作寬為W、長為L（一般）的一段微帶傳輸線，其終端（）處呈現(xiàn)開路，是電壓波幅和電流波節(jié)面。貼片和接地板之間的電場分布如下圖所示。1. 輻射機理選擇圖示坐標(biāo)系，假設(shè)電場沿z方向均勻分布，沿y方向的電場分布可近似表示為：貼片四周窄縫上的等效面磁流密度為： （*）-縫隙表面的外法向單位矢量。由于電場只有x方向分量，因此等效面磁流均與接地板平行，見圖中箭頭所示。 由（*）式可知， 表面磁流沿兩條W邊是同向的，其輻射場在x軸方向同相疊加，呈最大輻射，并隨偏離角的增大而減小，形成邊射方向圖。 在每條L邊上，磁流呈反對稱分布，在H面（xoz面）上的輻射相互抵消；兩條L邊的磁流彼此呈反對稱分布，在E面（xoy面）上的輻射場也相互抵消。L邊在其它平面上的輻射雖然不會完全抵消，但與兩條W的輻射場相比，顯得非常微弱。可見矩形微帶天線的輻射主要由兩條W邊的縫隙產(chǎn)生，稱為輻射邊。2輻射場的求解矩形微帶天線的輻射場由相距L的兩條W邊縫隙輻射場疊加而成?？紤]的縫隙，表面磁流密度為：對于遠區(qū)觀察點，磁矢位為：式中考慮了接地板引入的鏡像效應(yīng)。積分后得到：由可得遠區(qū)電場矢量為：對于處面磁流對輻射場的貢獻，可考慮間距的等幅同相二元陣，其陣因子為：矩形微帶天線遠區(qū)輻射場為：3方向圖由于實際微帶天線的，地因子近似等于1，方向函數(shù)可表示為：E面（xoy面），方向函數(shù)為：H面（xoz面），方向函數(shù)為：下圖給出了理論計算和實測的矩形微帶天線的方向圖。4輻射電導(dǎo)如果定義，輻射電導(dǎo)定義為，可求得每條邊的輻射電導(dǎo)為：當(dāng)時，當(dāng)時，。5輸入導(dǎo)納矩形微帶天線的輸入導(dǎo)納可由微帶傳輸線法進行計算，等效電路見下圖所示。假設(shè)微帶線的特性導(dǎo)納為，則輸入導(dǎo)納為：-有效介電常數(shù)。當(dāng)諧振邊處于諧振狀態(tài)時，輸入導(dǎo)納為：。6.2.2 雙頻微帶天線微帶天線易于實現(xiàn)雙頻段工作，矩形貼片天線是利用激勵多模來獲得雙頻的，見下圖所示。圖中在非輻射兩邊各開一個長度相等的縫隙，在貼片中心線上一適當(dāng)位置處饋電。這種結(jié)構(gòu)的工作模式有兩種，一種是模，另一種模式介于和之間，兩種模式電流分布和輻射特性均相似，并具有相同的