天線與電波傳播-第六章

1、天 線 與 電 波 傳 播第六章 縫隙天線與微帶天線 授課老師：徐云學(xué)6.1 引言常用于艦船導(dǎo)航、各種雷達(dá)設(shè)備。特點(diǎn)：天線口面的場分布容易控制、天線口徑效率高、結(jié)構(gòu)緊湊、強(qiáng)度高、可實(shí)現(xiàn)窄波束、低副瓣或者超低副瓣陣列天線。缺點(diǎn)：重量重、加工精度要求高、天線成本比較高。6.2 巴卑涅原理結(jié)論是（b）情況下在Z0區(qū)域產(chǎn)生的場是（c）情況下在Z0區(qū)域產(chǎn)生的場巴卑涅原理結(jié)論是（a）情況下在Z0區(qū)域產(chǎn)生的場（1）6.2 巴卑涅原理巴卑涅原理證明 在（b）和（c）情況下，y0半空間的電磁場可表示為總場入射場散射場 因此在（b）和（c）情況下有 在（b）情況下，電屏上感應(yīng)電流 在S面（即除去電屏A的y0平面）

2、上的切向磁場 。原因和均為S面上的矢量（2）6.2 巴卑涅原理 于是在（b）情況下，可得 于是在（c）情況下，同理 若把 稱為混合場，則由上述四式可得 這說明在y0平面的A面和S面上入射場與混合場有相同的邊界條件，故在y0半空間（1）式成立。6.2 巴卑涅原理巴卑涅原理結(jié)論證明結(jié)束把（2）式代入（1）式，可得 說明通過磁（電）屏的場等于互補(bǔ)電（磁）屏上感應(yīng)電（磁）流散射場的負(fù)值。 更有實(shí)際意義的是電屏與互補(bǔ)電屏之間的電磁場關(guān)系。這可以利用巴卑涅原理和對偶原理得出。對偶關(guān)系（3）（2）6.2 巴卑涅原理 比較圖中（c）和（d），可看出兩者的源和屏完全對偶，因此他們在y0半空間的場對偶。 將上式代

3、入式（1）和式（3），得到具有對偶的互補(bǔ)電屏（圖中（b）和（d）間的電磁場關(guān)系（1）（3）理想縫隙天線對稱振子？6.3 理想縫隙天線【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。 理想縫隙天線的電特性可借助與理想縫隙天線互補(bǔ)結(jié)構(gòu)的對稱振子的電特性計(jì)算。 如何建立關(guān)系？6.3 理想縫隙天線如果A面形狀為窄長矩形結(jié)構(gòu)，則圖中（b）和（d）分別為板狀振子和理想縫隙。當(dāng)電、磁流源的形狀與A面相同，并緊貼A面時(shí)，由磁流源激勵的理想縫隙天線的電磁場可由與之互補(bǔ)的板狀振子上的感應(yīng)電流的散

4、射場計(jì)算。板狀振子上的感應(yīng)電流與電流源的電流等值反向。它的散射場與 電流源直接激勵時(shí)的場反相，即差一個負(fù)號。巴卑涅原理6.3 理想縫隙天線縫隙被激勵后，只存在垂直于長邊的切向電場，并對縫隙的中點(diǎn)呈對稱駐波分布，其表達(dá)示為： 縫隙中間波腹處場強(qiáng)值電流源直接激勵時(shí)的場為 ，可得實(shí)際上理想縫隙天線時(shí)由外加電壓或者場激勵的。不論激勵方式如何，縫隙中的電場垂直于縫隙的長邊，并關(guān)于縫隙的中點(diǎn)上下對稱分布，下圖（a）所示。因此理想縫隙天線可等效為由磁流源激勵的對稱縫隙，下圖（b）所示。與之互補(bǔ)的是尺寸相同的板狀對稱振子，下圖（c）所示 。因此理想縫隙天線與板狀對稱振子的場滿足（4）式。（4）6.3 理想縫隙

5、天線【等效】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(qiáng)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。6.3 理想縫隙天線根據(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(dá)式：由此得到 半空間，磁對稱陣子的輻射場為： 6.3 理想縫隙天線理想縫隙與電對稱陣子比較（電特性）理想縫隙與電對稱陣子為互補(bǔ)天線；方向性相同，其方向函數(shù)為：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；6.3 理想縫隙天線 二者輻射阻抗、輸入阻抗乘積為常數(shù)。以縫隙波腹處電壓值 為計(jì)算輻射電阻的參考電

6、壓，則 若理想縫隙天線與其互補(bǔ)的電對稱振子的輻射功率相等，由縫隙的輻射功率縫隙輻射電阻電對稱振子理想縫隙6.3 理想縫隙天線因?yàn)殡妼ΨQ振子的輻射功率 與其輻射電阻 的關(guān)系為 推導(dǎo)出理想縫隙天線的輻射電阻與其互補(bǔ)的電對稱振子的輻射電阻之間關(guān)系式：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(bǔ)的電對稱陣子的相應(yīng)值求得。6.3 理想縫隙天線【輻射電阻】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？輻射電導(dǎo)？ 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。6.4 波導(dǎo)縫隙天線 最基

7、本的縫隙天線是由開在矩形波導(dǎo)壁上的半波諧振縫隙構(gòu)成的。 波導(dǎo)傳輸主模TE10波。 在波導(dǎo)寬壁上有縱向和橫向兩個電流分量，橫向分量的大小沿寬邊呈余弦分布，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。縫隙配置與電流分布6.4 波導(dǎo)縫隙天線如果波導(dǎo)壁上所開的縫隙能切割電流線，則中斷的電流線將以位移電流的形式延續(xù)，縫隙因此得到激勵，波導(dǎo)內(nèi)的傳輸功率通過縫隙向外輻射，這樣的縫隙也就被稱為輻射縫隙。當(dāng)縫隙與電流線平行時(shí)，不能在縫隙區(qū)內(nèi)建立激勵電場，這樣的縫隙因得不到激勵，不具有輻射能力，因而被稱為非輻射縫隙。受激勵的波導(dǎo)縫隙形成了開在有限金屬面上的窄縫。當(dāng)

8、金屬面的尺寸有限時(shí)，縫隙天線的邊界條件發(fā)生了變化，對偶原理不能應(yīng)用，有限尺寸導(dǎo)電面引起的電波繞射會使得天線的輻射特性發(fā)生改變。嚴(yán)格的求解縫隙的輻射場需要幾何繞射理論或數(shù)值求解方法。6.4 波導(dǎo)縫隙天線波導(dǎo)壁電流及縫隙縫隙g：能否輻射電磁波縫隙h：能否輻射電磁波縫隙a,b,c,I,j：能否輻射電磁波縫隙d,e,k：能否輻射電磁波縫隙f：能否輻射電磁波6.4 波導(dǎo)縫隙天線【縫隙天線的電特性】對于開在矩形波導(dǎo)上的縫隙，E 面（垂直于縫隙軸向和波導(dǎo)壁面的平面）方向圖與理想縫隙天線相比有一定的畸變。寬邊上的縱縫，由于沿E面，標(biāo)準(zhǔn)波導(dǎo)的電尺寸一般只有0.72，所以其E面方向圖的差別較大；寬邊上的橫縫，隨著

9、波導(dǎo)的縱向尺寸變長，其E 面方向圖逐漸趨向于理想的半圓形。寬邊上縱縫的E 面方向圖 矩形波導(dǎo)縫隙天線的H 面（通過縫隙軸向并且垂直于波導(dǎo)壁的平面）沿金屬面方向的輻射為零，所以波導(dǎo)的有限尺寸帶來的影響相對較小，因此其H面方向圖與理想縫隙天線差別不大。6.4 波導(dǎo)縫隙天線波導(dǎo)縫隙天線和理想縫隙天線的輻射空間不同，波導(dǎo)縫隙天線的輻射功率相當(dāng)于理想縫隙天線的一半，因此波導(dǎo)縫隙天線的輻射電導(dǎo)也就為理想縫隙天線的一半。半波諧振波導(dǎo)縫隙其輻射電導(dǎo)為 【等效電路】微波技術(shù)知識可知，波導(dǎo)可以等效為雙線傳輸線，所以波導(dǎo)上的縫隙可以等效為和傳輸線并聯(lián)或串聯(lián)的等效阻抗。6.4 波導(dǎo)縫隙天線寬壁橫縫截?cái)嗔丝v向電流，因而

10、縱向電流以位移電流的形式延續(xù)，其電場的垂直分量在縫隙的兩側(cè)反相，導(dǎo)致縫隙的兩側(cè)總電場發(fā)生突變，故此種橫縫可等效成傳輸線上的串聯(lián)阻抗。波導(dǎo)寬壁橫縫附近的電場 6.4 波導(dǎo)縫隙天線波導(dǎo)寬壁縱縫卻使得橫向電流向縫隙兩端分流，因而造成此種縫隙兩端的總縱向電流發(fā)生突變，所以矩形波導(dǎo)寬壁縱縫等效成傳輸線上的并聯(lián)阻抗或?qū)Ъ{。波導(dǎo)寬壁縱縫附近的電流其他縫隙同時(shí)引起縱向電流和電場的突變，則可以把它等效成一個四端網(wǎng)絡(luò)。6.4 波導(dǎo)縫隙天線矩形波導(dǎo)壁上各種縫隙的等效電路【諧振縫隙】如果波導(dǎo)縫隙采用了諧振長度，它們的輸入電抗或輸入電納為零，即等效串聯(lián)阻抗或并聯(lián)導(dǎo)納中只含有實(shí)部，不含有虛部。6.4 波導(dǎo)縫隙天線寬邊縱向

11、半波諧振縫隙，此時(shí)歸一化電導(dǎo)可表示為寬邊橫向半波諧振縫隙，此時(shí)歸一化電阻可表示為窄邊斜半波諧振縫隙，此時(shí)歸一化電導(dǎo)可表示為6.4 波導(dǎo)縫隙天線有了相應(yīng)的等效電路，波導(dǎo)內(nèi)的傳輸特性就可以依賴于微波網(wǎng)絡(luò)理論來分析，例如反射系數(shù)及頻率響應(yīng)曲線，從而更方便地計(jì)算矩形波導(dǎo)縫隙天線的電特性，例如傳輸效率及匹配情況。在已獲得匹配的波導(dǎo)上開出輻射縫隙，將會破壞波導(dǎo)的匹配情況。為了使帶有縫隙的波導(dǎo)匹配，可以在波導(dǎo)的末端短路，利用短路傳輸線的反射消去諧振縫隙帶來的反射，使得縫隙波導(dǎo)得到匹配。6.5 波導(dǎo)縫隙陣為了加強(qiáng)縫隙天線的方向性，可以在波導(dǎo)上按一定的規(guī)律開出一系列尺寸相同的縫隙，構(gòu)成波導(dǎo)縫隙陣（Slot Ar

12、rays）。由于波導(dǎo)場分布的特點(diǎn)，縫隙天線陣的組陣形式更加靈活和方便，但主要有以下兩類組陣形式。諧振式縫隙陣（Resonant Slot Arrays）非諧振式縫隙陣（Nonresonant Slot Arrays）6.5 波導(dǎo)縫隙陣【諧振式縫隙陣】波導(dǎo)上所有縫隙都得到同相激勵。最大輻射方向與天線軸垂直，為邊射陣。波導(dǎo)終端通常采用短路活塞。（1）開在寬壁上的橫向諧振縫隙陣為保證各縫隙同相，相鄰縫隙的間距應(yīng)取為 。由于波導(dǎo)波長 大于自由空間波長，這種縫隙陣會出現(xiàn)柵瓣，同時(shí)在有限長度的波導(dǎo)壁上開出的縫隙數(shù)目受到限制，增益較低，因此實(shí)際中較少采用。圖（a）6.5 波導(dǎo)縫隙陣（2）縱向諧振縫隙陣（一）

13、利用了在寬壁中心線兩側(cè)對稱位置處橫向電流反相、沿波導(dǎo)每隔 場強(qiáng)反相的特點(diǎn)，縱縫每隔 交替地分布在中心線兩側(cè)即可得到同相激勵。圖（b）6.5 波導(dǎo)縫隙陣（3）縱向諧振縫隙陣（二）圖中對應(yīng)的螺釘需要交替地分布在中心線兩側(cè)。圖（c）6.5 波導(dǎo)縫隙陣（4）縱向諧振縫隙陣（三）對于開在窄壁上的斜縫，相鄰斜縫之間的距離為 ，斜縫通過切入寬壁的深度來增加縫隙的總長度，并且依靠傾斜角的正負(fù)來獲得附加的相差，以補(bǔ)償橫向電流 所對應(yīng)的相差而得到各縫隙的同相激勵。6.5 波導(dǎo)縫隙陣【非諧振式縫隙陣】在諧振式縫隙陣的結(jié)構(gòu)中，如果將波導(dǎo)末端改為吸收負(fù)載，讓波導(dǎo)載行波，并且間距不等于 ，就可以構(gòu)成非諧振式縫隙陣。顯然，

14、非諧振縫隙天線各單元不再同相。根據(jù)均勻直線陣的分析，非諧振縫隙天線陣的最大輻射方向偏離陣法線的角度為非諧振縫隙天線適用于頻率掃描天線，因?yàn)榕c頻率有關(guān)，波束指向 可以隨之變化。非諧振式天線的優(yōu)點(diǎn)是頻帶較寬，缺點(diǎn)是效率較低。 6.5 波導(dǎo)縫隙陣【匹配偏斜縫隙陣】如果諧振式縫隙天線陣中的縫隙都是匹配縫隙，即不在波導(dǎo)中產(chǎn)生反射，波導(dǎo)終端接匹配負(fù)載，就構(gòu)成了匹配偏斜縫隙天線陣。圖示的波導(dǎo)寬壁上的匹配偏斜縫隙天線陣，適當(dāng)?shù)卣{(diào)整縫隙對中線的偏移 和斜角 ，可使得縫隙所等效的歸一化輸入電導(dǎo)為1，其電納部分由縫隙中心附近的電抗振子補(bǔ)償，各縫隙可以得到同相，最大輻射方向與寬邊垂直。匹配偏斜縫隙天線陣能在較寬的頻帶

15、內(nèi)與波導(dǎo)有較好的匹配，帶寬主要受增益改變的限制，通常是5%10%。其缺點(diǎn)是調(diào)配元件使波導(dǎo)功率容量降低。6.5 波導(dǎo)縫隙陣【方向圖】矩形波導(dǎo)縫隙天線陣的方向圖可用方向圖乘積定理求出，單元天線的方向圖即為與半波縫隙互補(bǔ)的半波對稱振子的方向圖，陣因子決定于縫隙的間距以及各縫隙的相對激勵強(qiáng)度和相位差?！痉较蛳禂?shù)】工程上波導(dǎo)縫隙天線陣的方向系數(shù)可用下式估算：式中N為陣元縫隙個數(shù)。 6.6 微帶天線【結(jié)構(gòu)】微帶天線是由導(dǎo)體薄片粘貼在背面有導(dǎo)體接地板的介質(zhì)基片上形成的天線。貼片形狀：矩形，圓形，三角形，多邊形等。饋電：微帶傳輸線，同軸線，耦合饋電等。6.6 微帶天線【發(fā)展】微帶輻射器的概念首先由Descha

16、mps于1953年提出來。但是，過了20年，到了20世紀(jì)70年代初，當(dāng)較好的理論模型以及對敷銅或敷金的介質(zhì)基片的光刻技術(shù)發(fā)展之后，實(shí)際的微帶天線才制造出來，此后這種新型的天線得到長足的發(fā)展。【優(yōu)點(diǎn)】體積小，重量輕，低剖面，能與載體共形；制造成本低，易于批量生產(chǎn)；天線的散射截面較?。荒艿玫絾畏较虻膶挵攴较驁D，最大輻射方向在平面的法線方向；易于和微帶線路集成；易于實(shí)現(xiàn)線極化和圓極化，容易實(shí)現(xiàn)雙頻段、雙極化等多功能工作。【應(yīng)用】已用于大約100MHz100GHz的寬廣頻域上，包括衛(wèi)星通信、雷達(dá)、遙感、制導(dǎo)武器以及便攜式無線電設(shè)備上。相同結(jié)構(gòu)的微帶天線組成微帶天線陣可以獲得更高的增益和更大的帶寬。6.

17、7 矩形微帶天線矩形微帶天線，介質(zhì)基片的上面的輻射貼片為矩形結(jié)構(gòu)，介質(zhì)基片的背面為導(dǎo)體接地板的天線。6.7 矩形微帶天線縫隙表面上的等效面磁流均與接地板平行，如圖中虛線箭頭所示?？梢钥闯觯貎蓷l邊W的磁流是同向的，故其輻射場在貼片的法線方向同相疊加，呈現(xiàn)最大值。且隨偏離此方向的角度的增大而減小。形成邊射方向圖。沿每條L邊的磁流都由反對稱的兩部分構(gòu)成，他們在H面上各處的輻射互相抵消；而兩條邊的磁流又彼此呈現(xiàn)反對稱分布，因而在E面上各處，他們的場也相互抵消，在其他平面上這些磁流的輻射不會完全抵消，但與沿兩條W邊的輻射相比，都比較弱，稱為交叉極化分量。矩形微帶天線的輻射主要由沿兩條W縫隙上的等效面磁流產(chǎn)生，該兩個邊稱為輻射邊等效面