縫隙天線與微帶天線

1、縫隙天線與微帶天線第1頁，共51頁，2022年，5月20日，20點36分，星期二本章內(nèi)容5.1 縫隙天線 5.2 微帶天線 第2頁，共51頁，2022年，5月20日，20點36分，星期二5.1 縫隙天線 理想縫隙天線是開在無限大、無限薄的理想導(dǎo)體平面上(yOz)的直線縫隙， 可以由同軸傳輸線激勵。 縫隙的寬度w遠小于波長， 而其長度2l通常為/2。5.1.1 理想縫隙天線坐標(biāo)圖第3頁，共51頁，2022年，5月20日，20點36分，星期二 無論縫隙被何種方式激勵， 縫隙中只存在切向的電場強度， 電場強度一定垂直于縫隙的長邊， 并對縫隙的中點呈上下對稱的駐波分布， 即在x0的半空間內(nèi)，縫隙相當(dāng)于

2、一個等效磁流源，其等效磁流密度為輻射場第4頁，共51頁，2022年，5月20日，20點36分，星期二 縫隙最終可以被等效成一個片狀的、沿z軸放置的、與縫隙等長的磁對稱振子。對于x0的半空間內(nèi)，其等效磁流強度為討論遠區(qū)的輻射問題時，可將縫隙視為線狀磁對稱振子，根據(jù)與全電流定律對偶的全磁流定律第5頁，共51頁，2022年，5月20日，20點36分，星期二 根據(jù)電磁場的對偶原理，磁對稱振子的輻射場可以直接由電對稱振子的輻射場對偶得出為在x0的半空間內(nèi)，由于等效磁流的方向相反，因此電場和磁場表達式分別為上兩式的負值。第6頁，共51頁，2022年，5月20日，20點36分，星期二通常稱理想縫隙與和它對偶

3、的電對稱振子為互補天線，因為它們相結(jié)合時形成單一的導(dǎo)體屏而沒有重疊或孔隙。它們的區(qū)別在于場的極化不同：H面（通過縫隙軸向并且垂直于金屬板的平面）、E面（垂直于縫隙軸向和金屬板的平面）互換。第7頁，共51頁，2022年，5月20日，20點36分，星期二理想縫隙與和它對偶的電對稱振子具有相同的方向性，其方向函數(shù)為 方向性第8頁，共51頁，2022年，5月20日，20點36分，星期二理想半波縫隙天線(2l=/2)，H面方向圖如右圖所示，而其E面無方向性?？p隙的場矢量線分布圖(a)電力線；(b)磁力線半波縫隙天線的H面方向圖例第9頁，共51頁，2022年，5月20日，20點36分，星期二以縫隙波腹處電

4、壓值Um=Emw為計算輻射電阻的參考電壓，則理想縫隙天線 輻射電阻若理想縫隙天線與其互補的電對稱振子的輻射功率相等，則縫隙的輻射功率縫隙輻射電阻縫隙波腹處電流值第10頁，共51頁，2022年，5月20日，20點36分，星期二因為電對稱振子的輻射功率Pr,e與其輻射電阻Rr,e的關(guān)系為推導(dǎo)出理想縫隙天線的輻射電阻與其互補的電對稱振子的輻射電阻之間關(guān)系式：因此，理想半波縫隙天線的輻射電阻為理想半波縫隙天線的輻射電導(dǎo) Gr,m0.002S第11頁，共51頁，2022年，5月20日，20點36分，星期二和半波振子類似，理想半波縫隙天線的輸入電阻也為500，該值很大，所以在用同軸線給縫隙饋電時存在困難，

5、必須采用相應(yīng)的匹配措施。 理想縫隙天線 輸入電阻第12頁，共51頁，2022年，5月20日，20點36分，星期二任意長度的理想縫隙天線的輸入阻抗、輻射阻抗均可以由與其互補的電對稱振子的相應(yīng)值求得。由于諧振電對稱振子的輸入阻抗為純阻，因此諧振縫隙的輸入電阻也為純阻，并且其諧振長度同樣稍短于/2，且縫隙越寬，縮短程度越大。輻射阻抗 Zr,mZr,e=(60)2 輸入阻抗 Zin,mZin,e=(60)2輻射電阻理想縫隙天線和與其互補的電對稱振子第13頁，共51頁，2022年，5月20日，20點36分，星期二最基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。由電磁場理論，對TE10波而言，在

6、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；而波導(dǎo)窄壁上只有橫向電流，且沿窄邊均勻分布。 5.1.2 縫隙天線縫隙配置與電流分布第14頁，共51頁，2022年，5月20日，20點36分，星期二如果波導(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，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。 縫隙類型第15頁，共51頁，2022年，5月20日，20點36分

7、，星期二 縫隙g雖然與縱向電流平行，但是其旁邊設(shè)置了電抗振子h，電抗振子是插入波導(dǎo)內(nèi)部的螺釘式金屬桿，由于該螺釘平行于波導(dǎo)內(nèi)部的電場，因此被感應(yīng)出的傳導(dǎo)電流流向螺釘?shù)撞刻幍牟▽?dǎo)內(nèi)壁而形成徑向電流，于是縱縫g可以切斷其中的一部分而得到激勵。第16頁，共51頁，2022年，5月20日，20點36分，星期二* 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)金屬面的尺寸有限時，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。第17頁，共51頁，2022年，5月20日，20點36分，星期二寬

8、邊上縱縫的E面方向圖縫隙天線 輻射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面的電尺寸對標(biāo)準(zhǔn)波導(dǎo)來說只有0.72，所以其E面方向圖的差別較大；第18頁，共51頁，2022年，5月20日，20點36分，星期二寬邊上的橫縫，隨著波導(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。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。第19頁，共51頁，2022年，5月20日，20點36分，星期二波導(dǎo)縫隙

9、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。對于半波諧振波導(dǎo)縫隙，其輻射電導(dǎo)為 Gr,m0.001S 縫隙天線 輻射功率與輻射電導(dǎo)第20頁，共51頁，2022年，5月20日，20點36分，星期二由微波技術(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。寬壁橫縫截斷了縱向電流，因而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 第21頁，共51頁，2022年

10、，5月20日，20點36分，星期二波導(dǎo)寬壁縱縫附近的電流波導(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{。若某種縫隙同時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)。第22頁，共51頁，2022年，5月20日，20點36分，星期二矩形波導(dǎo)壁上各種縫隙的等效電路第23頁，共51頁，2022年，5月20日，20點36分，星期二 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)納中只含有實部，不含有虛部。諧振縫隙寬邊縱向半波諧振縫隙其歸一化電導(dǎo)為第24頁，共51頁，2022

11、年，5月20日，20點36分，星期二寬邊橫向半波諧振縫隙其歸一化電阻為第25頁，共51頁，2022年，5月20日，20點36分，星期二 窄邊斜半波諧振縫隙其歸一化電導(dǎo)為第26頁，共51頁，2022年，5月20日，20點36分，星期二有了相應(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，例如后向散射系數(shù)|s11|及頻率響應(yīng)曲線，從而更方便地計算矩形波導(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。 第27頁，共51頁

12、，2022年，5月20日，20點36分，星期二為了加強縫隙天線的方向性，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 Arrays）。由于波導(dǎo)場分布的特點，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。 5.1.3 縫隙天線陣第28頁，共51頁，2022年，5月20日，20點36分，星期二波導(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。 諧振式縫隙陣（Resonant Slot Arrays）下面介紹常見的諧振式縫隙陣第29頁，共51頁，2022年，5月20日，20點36分，星期二為保證各縫隙同相，相鄰縫

13、隙的間距應(yīng)取為g。由于波導(dǎo)波長g大于自由空間波長，這種縫隙陣會出現(xiàn)柵瓣，同時在有限長度的波導(dǎo)壁上開出的縫隙數(shù)目受到限制，增益較低，因此實際中較少采用。開在寬壁上的橫向諧振縫隙陣第30頁，共51頁，2022年，5月20日，20點36分，星期二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g/2場強反相的特點，縱縫每隔g/2交替地分布在中心線兩側(cè)即可得到同相激勵?？v向諧振縫隙陣一第31頁，共51頁，2022年，5月20日，20點36分，星期二圖中對應(yīng)的螺釘需要交替地分布在中心線兩側(cè)。縱向諧振縫隙陣二第32頁，共51頁，2022年，5月20日，20點36分，星期二縱向諧振縫隙陣三對于開在窄

14、壁上的斜縫，相鄰斜縫之間的距離為g/2，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來獲得附加的相差，以補償橫向電流g/2所對應(yīng)的相差而得到各縫隙的同相激勵。第33頁，共51頁，2022年，5月20日，20點36分，星期二在諧振式縫隙陣的結(jié)構(gòu)中，如果將波導(dǎo)末端改為吸收負載，讓波導(dǎo)載行波，并且間距不等于g/2，就可以構(gòu)成非諧振式縫隙陣。顯然，非諧振縫隙天線各單元不再同相。非諧振式縫隙陣（Nonresonant Slot Arrays）第34頁，共51頁，2022年，5月20日，20點36分，星期二根據(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

15、線適用于頻率掃描天線，因為與頻率有關(guān)，波束指向max可以隨之變化。非諧振式天線的優(yōu)點是頻帶較寬，缺點是效率較低。 第35頁，共51頁，2022年，5月20日，20點36分，星期二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)終端接匹配負載，就構(gòu)成了匹配偏斜縫隙天線陣。匹配偏斜縫隙陣第36頁，共51頁，2022年，5月20日，20點36分，星期二圖示的波導(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x1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償，各縫隙可以得到同相，最大輻射方向與寬壁垂直。第37頁，共51頁，2022年，5

16、月20日，20點36分，星期二匹配偏斜縫隙天線陣能在較寬的頻帶內(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%。其缺點是調(diào)配元件使波導(dǎo)功率容量降低。 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度和相位差。帶寬方向圖第38頁，共51頁，2022年，5月20日，20點36分，星期二式中N為陣元縫隙個數(shù)。 工程上波導(dǎo)縫隙天線陣的方向系數(shù)可用下式估算： 方向系數(shù)第39頁，共51頁，2022年，5月20日，20點36分，星期二波導(dǎo)縫隙陣列由于其低損耗、高輻射效率和性能穩(wěn)定等一系列

17、突出優(yōu)點而得到廣泛應(yīng)用?？p隙天線不僅僅是指矩形波導(dǎo)縫隙天線，而且還有異形波導(dǎo)面上的縫隙天線，例如為了保證與承載表面共形，波導(dǎo)的一個表面或兩個表面常常是曲面形狀。 波導(dǎo)縫隙陣列應(yīng)用第40頁，共51頁，2022年，5月20日，20點36分，星期二(a)圓突矩形波導(dǎo)縫隙天線； (b)扇面波導(dǎo)縫隙天線其主要的研究熱點為精確地計算相應(yīng)縫隙的等效阻抗。 第41頁，共51頁，2022年，5月20日，20點36分，星期二5.2 微帶天線(Microstrip Antennas)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。結(jié)構(gòu)微帶輻射器的概念首先由Deschamps于1953年提出來。但是

18、，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。 發(fā)展第42頁，共51頁，2022年，5月20日，20點36分，星期二已用于大約100MHz100GHz的寬廣頻域上，包括衛(wèi)星通信、雷達、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。優(yōu)點體積小，重量輕，低剖面，能與載體共形；制造成本低，易于批量生產(chǎn)；天線的散射截面較小；能得到單方向的寬瓣方向圖，最大輻射方向在平面的法線方向；易于和微帶線路集成；易于實現(xiàn)線極化和圓極化，容易實現(xiàn)雙頻段、雙極化等多功能工作。應(yīng)用第43頁，共51頁，2022年，5月20日，20點36分，星期二對微帶天線的分析可以用數(shù)值方法求解，精確度高，但編程計算復(fù)雜，適合異形貼片的微帶天線；還可以利用空腔模