天線技術(shù)課件(西電第二版)第8章

1、第 8章 縫隙天線和微帶天線 第 8章 縫隙天線和微帶天線 8.1 縫隙天線縫隙天線 8.2 微帶天線微帶天線 第 8章 縫隙天線和微帶天線 8.1 縫縫 隙隙 天天 線線 8.1.1 理想縫隙天線的輻射和方向特性理想縫隙天線的輻射和方向特性 理想縫隙天線是開在無限大、無限薄的理想導(dǎo)電平面上的直線縫隙。縫隙的橫向尺寸遠(yuǎn)小于波長(zhǎng)，縱向尺寸通常為/2。 設(shè)yOz為無限大和無限薄的理想導(dǎo)電平板，在此面上沿z軸開一個(gè)長(zhǎng)為2l、寬為W(W而出現(xiàn)柵瓣， 通常都選擇相鄰縫隙間距為g /2的排列方式，但需要采取適當(dāng)方法以保證各縫隙同相激勵(lì)。如圖8-7所示，相鄰縫隙相對(duì)中心線要交錯(cuò)放置。從波導(dǎo)內(nèi)壁電流分布可知，

2、激勵(lì)寬壁縱縫的橫向電流恰好同相； 同理， 這時(shí)除了由縱向距離g /2引起的相位差以外，對(duì)邊開縫又引起相位差。因而諧振式波導(dǎo)縫隙陣對(duì)邊開縫時(shí)相鄰縫隙間的相位差為0，從而實(shí)現(xiàn)了各縫隙的同相激勵(lì), 構(gòu)成同相陣列。 第 8章 縫隙天線和微帶天線 圖 8-7 寬壁中線雙側(cè)縱向縫隙陣 2g活塞2g同軸線bag第 8章 縫隙天線和微帶天線 圖 8-8 窄壁斜縫隙天線陣 2g2gJJtJnJnJJt(a)(b)第 8章 縫隙天線和微帶天線 2. 非諧振式縫隙陣非諧振式縫隙陣 圖 8-9 非諧振式縫隙天線陣 (a)(b)(c)dgdgd或2gd2gzzz匹配負(fù)載第 8章 縫隙天線和微帶天線 圖中各縫隙間距不等于

3、g或g/2，使各縫隙單元不同相， 具有線性相位差。 方向圖的主瓣偏向電源或負(fù)載端，最大輻射方向與波導(dǎo)面法線的夾角為 dm2arcsin0（8-1-4） 式中， 為相鄰縫隙的激勵(lì)相位差。其中, 為縫隙的位置配置產(chǎn)生的附加相位差，d為相鄰縫隙間距。由此可見， 若利用移相器控制0，就可實(shí)現(xiàn)最大輻射方向的電控掃描，故非諧振式縫隙天線陣很適宜用作電掃描天線。 非諧振式縫隙天線陣的優(yōu)點(diǎn)是頻帶較寬，缺點(diǎn)是效率較低， 匹配負(fù)載的吸收功率通常為總輸入功率的5%10%。gd20第 8章 縫隙天線和微帶天線 8.1.4 實(shí)用縫隙天線實(shí)用縫隙天線 圖 8-10 匹配偏斜縫隙天線陣 x12g1第 8章 縫隙天線和微帶天

4、線 這種天線在中心頻率上d=g或 d=g/2，方向圖的主瓣指向縫隙面法線方向。當(dāng)工作頻率變化時(shí)，主瓣指向偏離法線方向，但它能在寬頻帶內(nèi)與波導(dǎo)良好匹配。這不僅由于波導(dǎo)終端接有匹配負(fù)載，而且由于可能產(chǎn)生反射的縫隙得以就地直接匹配。 其帶寬主要受增益改變的限制，通常是5%10%。它的缺點(diǎn)是調(diào)配元件使波導(dǎo)功率容量降低。 矩形波導(dǎo)縫隙陣的方向圖可用方向圖乘法定理求出。陣元的方向圖即半波縫隙天線的方向圖與半波對(duì)稱振子的相同；陣方向圖決定于陣元間距d以及陣元的電流相對(duì)激勵(lì)幅度和相位差。 讀者可參閱第4章有關(guān)直線陣的方向性進(jìn)行計(jì)算。 第 8章 縫隙天線和微帶天線 工程上波導(dǎo)縫隙天線陣的方向性系數(shù)可用下式近似估

5、算： D3.2N 式中, N為陣元(縫隙)的個(gè)數(shù)。 （8-1-5） 第 8章 縫隙天線和微帶天線 8.2 微微 帶帶 天天 線線 8.2.1 微帶天線的結(jié)構(gòu)及主要特點(diǎn)微帶天線的結(jié)構(gòu)及主要特點(diǎn) 圖 8-11 微帶天線的結(jié)構(gòu) 接地板介質(zhì)基片輻射元第 8章 縫隙天線和微帶天線 圖 8-12 微帶天線的饋電 接地板介質(zhì)基片同軸饋線輻射元同軸饋線輻射元微帶傳輸線(a)(b)第 8章 縫隙天線和微帶天線 微帶天線近年來越來越受到人們的重視，因?yàn)樗哂泻芏嗥渌炀€所沒有的特點(diǎn)： 可方便地實(shí)現(xiàn)線極化或圓極化以及雙頻率工作；體積小，重量輕，價(jià)格低，尤其具有很小的剖面高度，易于附著于任何金屬物體表面，最適用于某些

6、高速運(yùn)行的物體，如飛機(jī)，火箭，導(dǎo)彈等；容易和有源器件、微波電路集成為統(tǒng)一的組件，因而適合大規(guī)模生產(chǎn)。在現(xiàn)代通信中，微帶天線廣泛地應(yīng)用于100MHz50 GHz的頻率范圍。 第 8章 縫隙天線和微帶天線 8.2.2 微帶天線的輻射原理微帶天線的輻射原理 圖 8-13 矩形微帶天線開路端的電場(chǎng)結(jié)構(gòu) hl介質(zhì)基片接地板w第 8章 縫隙天線和微帶天線 圖 8-14 場(chǎng)分布側(cè)視圖 hxyz2l第 8章 縫隙天線和微帶天線 圖 8-15 矩形微帶天線的電場(chǎng)分布 yzx(a)xlywz(b)(c)第 8章 縫隙天線和微帶天線 圖 8-16 等效輻射縫隙 2lhl 等效輻射縫隙w第 8章 縫隙天線和微帶天線

7、8.2.3 微帶天線的方向特性微帶天線的方向特性 建立如圖8-17所示的坐標(biāo)，設(shè)縫隙上電壓為U，縫的切向電場(chǎng)Ex=U/h，可以等效為沿z方向的磁流。考慮到理想接地板上磁流的鏡像，縫隙的等效磁流為 hUzJm2（8-2-1） 設(shè)磁流沿x和z方向都是均勻的，則單縫的輻射場(chǎng)為 ),(42FreWUjErj（8-2-2） 式中: sincos2cos2sin),(WWF（8-2-3） 第 8章 縫隙天線和微帶天線 又因?yàn)檠豿軸排列、間距l(xiāng)2的二元陣的陣因子為 cos2coscossin2cosl（8-2-4） 分別令=90和=90，由方向圖乘積定理即可得到微帶天線的E面和H面的方向性函數(shù)為 sinco

8、s2cos2sin)(cos2coscos2cos)(WWFlFHE（8-2-5） （8-2-6） 第 8章 縫隙天線和微帶天線 圖8-17 縫隙的輻射xhywOz第 8章 縫隙天線和微帶天線 圖 8-18 微帶天線方向圖 (a) H面； (b) E面 yzOxOy(a)(b)第 8章 縫隙天線和微帶天線 8.2.4 實(shí)用微帶天線實(shí)用微帶天線 （1） 增加介質(zhì)基片厚度h，這等效于增大輻射縫隙的寬度或降低微帶結(jié)構(gòu)的特性阻抗，使天線輸入阻抗隨頻率變化的速度減慢。但是，種方法的效果是有限的，而且增加厚度與降低剖面高度的要求是矛盾的。 這可采用較高相對(duì)介電常數(shù)r的介質(zhì)來解決，但這又增大了天線的損耗。

9、第 8章 縫隙天線和微帶天線 （2） 采用如圖8-19所示的疊片結(jié)構(gòu)，即上層較小的輻射片以下層較大的輻射片為接地板，相疊的兩片分別調(diào)諧于不同的頻率。這類雙層結(jié)構(gòu)因有兩個(gè)導(dǎo)體貼片，因而具有兩個(gè)諧振頻率。如果結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)得當(dāng)，可使兩個(gè)諧振頻率適當(dāng)接近， 與電路中的雙調(diào)諧回路參差調(diào)諧原理類似，形成頻帶大大展寬的雙峰諧振電路，使總的工作頻帶變寬。 第 8章 縫隙天線和微帶天線 圖 8-19 疊片形結(jié)構(gòu)微帶天線 金屬襯底介質(zhì)襯底r2r1h1h2第 8章 縫隙天線和微帶天線 圖8-20 微帶天線陣 (a)(b)第 8章 縫隙天線和微帶天線 圖8-21 微帶天線陣形式之一 22M行N元第 8章 縫隙天線和微帶天線 習(xí)習(xí) 題題 7 8-1 什么叫縫隙天線？ 其結(jié)構(gòu)與近場(chǎng)有哪些特點(diǎn)？ 分析縫隙天線的基本方法是什么？ 8-2 矩形波導(dǎo)縫隙天線陣有哪幾種？ 各有什么特點(diǎn)？ 對(duì)于給出的天線陣，試指出其E面與H面以及最大輻射方向。 8-3 什么是微帶天線？ 其結(jié)構(gòu)有何特點(diǎn)