縫隙天線與微帶天線

縫隙天線與微帶天線第一頁(yè)，共五十六頁(yè)，編輯于2023年，星期一5.1縫隙天線理想縫隙天線是開在無(wú)限大、無(wú)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(lì)。縫隙的寬度w遠(yuǎn)小于波長(zhǎng)，而其長(zhǎng)度2l通常為λ/2。5.1.1理想縫隙天線坐標(biāo)圖第二頁(yè)，共五十六頁(yè)，編輯于2023年，星期一無(wú)論縫隙被何種方式激勵(lì)，縫隙中只存在切向的電場(chǎng)強(qiáng)度，電場(chǎng)強(qiáng)度一定垂直于縫隙的長(zhǎng)邊，并對(duì)縫隙的中點(diǎn)呈上下對(duì)稱的駐波分布，即在x>0的半空間內(nèi)，縫隙相當(dāng)于一個(gè)等效磁流源，其等效磁流密度為輻射場(chǎng)第三頁(yè)，共五十六頁(yè)，編輯于2023年，星期一縫隙最終可以被等效成一個(gè)片狀的、沿z軸放置的、與縫隙等長(zhǎng)的磁對(duì)稱振子。對(duì)于x>0的半空間內(nèi)，其等效磁流強(qiáng)度為討論遠(yuǎn)區(qū)的輻射問(wèn)題時(shí)，可將縫隙視為線狀磁對(duì)稱振子，根據(jù)與全電流定律對(duì)偶的全磁流定律第四頁(yè)，共五十六頁(yè)，編輯于2023年，星期一根據(jù)電磁場(chǎng)的對(duì)偶原理，磁對(duì)稱振子的輻射場(chǎng)可以直接由電對(duì)稱振子的輻射場(chǎng)對(duì)偶得出為在x<0的半空間內(nèi)，由于等效磁流的方向相反，因此電場(chǎng)和磁場(chǎng)表達(dá)式分別為上兩式的負(fù)值。第五頁(yè)，共五十六頁(yè)，編輯于2023年，星期一通常稱理想縫隙與和它對(duì)偶的電對(duì)稱振子為互補(bǔ)天線，因?yàn)樗鼈兿嘟Y(jié)合時(shí)形成單一的導(dǎo)體屏而沒(méi)有重疊或孔隙。它們的區(qū)別在于場(chǎng)的極化不同：H面（通過(guò)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。第六頁(yè)，共五十六頁(yè)，編輯于2023年，星期一理想縫隙與和它對(duì)偶的電對(duì)稱振子具有相同的方向性，其方向函數(shù)為

方向性第七頁(yè)，共五十六頁(yè)，編輯于2023年，星期一理想半波縫隙天線(2l=λ/2)，H面方向圖如右圖所示，而其E面無(wú)方向性?？p隙的場(chǎng)矢量線分布圖(a)電力線；(b)磁力線半波縫隙天線的H面方向圖例第八頁(yè)，共五十六頁(yè)，編輯于2023年，星期一以縫隙波腹處電壓值Um=Emw為計(jì)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(bǔ)的電對(duì)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九頁(yè)，共五十六頁(yè)，編輯于2023年，星期一因?yàn)殡妼?duì)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(bǔ)的電對(duì)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,m≈0.002S第十頁(yè)，共五十六頁(yè)，編輯于2023年，星期一和半波振子類似，理想半波縫隙天線的輸入電阻也為500Ω，該值很大，所以在用同軸線給縫隙饋電時(shí)存在困難，必須采用相應(yīng)的匹配措施。理想縫隙天線

輸入電阻第十一頁(yè)，共五十六頁(yè)，編輯于2023年，星期一為了加強(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（SlotArrays）。由于波導(dǎo)場(chǎng)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。6.2波導(dǎo)縫隙天線陣第十二頁(yè)，共五十六頁(yè)，編輯于2023年，星期一波導(dǎo)上所有縫隙都得到同相激勵(lì)。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（ResonantSlotArrays）下面介紹常見的諧振式縫隙陣第十三頁(yè)，共五十六頁(yè)，編輯于2023年，星期一為保證各縫隙同相，相鄰縫隙的間距應(yīng)取為λg。由于波導(dǎo)波長(zhǎng)λg大于自由空間波長(zhǎng)，這種縫隙陣會(huì)出現(xiàn)柵瓣，同時(shí)在有限長(zhǎng)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。開在寬壁上的橫向諧振縫隙陣第十四頁(yè)，共五十六頁(yè)，編輯于2023年，星期一圖中對(duì)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十五頁(yè)，共五十六頁(yè)，編輯于2023年，星期一縱向諧振縫隙陣三對(duì)于開在窄壁上的斜縫，相鄰斜縫之間的距離為λg/2，斜縫通過(guò)切入寬壁的深度來(lái)增加縫隙的總長(zhǎng)度，并且依靠?jī)A斜角的正負(fù)來(lái)獲得附加的π相差，以補(bǔ)償橫向電流λg/2所對(duì)應(yīng)的π相差而得到各縫隙的同相激勵(lì)。第十六頁(yè)，共五十六頁(yè)，編輯于2023年，星期一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λg/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（NonresonantSlotArrays）第十七頁(yè)，共五十六頁(yè)，編輯于2023年，星期一根據(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)棣僚c頻率有關(guān)，波束指向θmax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。第十八頁(yè)，共五十六頁(yè)，編輯于2023年，星期一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。匹配偏斜縫隙陣第十九頁(yè)，共五十六頁(yè)，編輯于2023年，星期一圖示的波導(dǎo)寬壁上的匹配偏斜縫隙天線陣，適當(dāng)?shù)卣{(diào)整縫隙對(duì)中線的偏移x1和斜角δ，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，最大輻射方向與寬壁垂直。第二十頁(yè)，共五十六頁(yè)，編輯于2023年，星期一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(diǎn)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(bǔ)的半波對(duì)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(duì)激勵(lì)強(qiáng)度和相位差。帶寬方向圖第二十一頁(yè)，共五十六頁(yè)，編輯于2023年，星期一式中N為陣元縫隙個(gè)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)第二十二頁(yè)，共五十六頁(yè)，編輯于2023年，星期一波導(dǎo)縫隙陣列由于其低損耗、高輻射效率和性能穩(wěn)定等一系列突出優(yōu)點(diǎn)而得到廣泛應(yīng)用。縫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(gè)表面或兩個(gè)表面常常是曲面形狀。波導(dǎo)縫隙陣列應(yīng)用第二十三頁(yè)，共五十六頁(yè)，編輯于2023年，星期一(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(diǎn)為精確地計(jì)算相應(yīng)縫隙的等效阻抗。第二十四頁(yè)，共五十六頁(yè)，編輯于2023年，星期一5.2微帶天線(MicrostripAntennas)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(lái)。但是，過(guò)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(duì)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(lái)，此后這種新型的天線得到長(zhǎng)足的發(fā)展。發(fā)展第二十五頁(yè)，共五十六頁(yè)，編輯于2023年，星期一已用于大約100MHz~100GHz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(wú)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(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??；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(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)用第二十六頁(yè)，共五十六頁(yè)，編輯于2023年，星期一微帶天線工作原理—輻射機(jī)理貼片尺寸為，介質(zhì)基片厚度為。微帶貼片可看作為寬a長(zhǎng)b的一段微帶傳輸線，其終端（a邊）處因?yàn)槌尸F(xiàn)開路，將形成電壓波腹。一般取，為微帶線上波長(zhǎng)。于是另一端（a邊）處也呈電壓波腹。第二十七頁(yè)，共五十六頁(yè)，編輯于2023年，星期一微帶天線工作原理—輻射機(jī)理電場(chǎng)可近似表達(dá)為（設(shè)沿貼片寬度和基片厚度方向電場(chǎng)無(wú)變化）天線的輻射由貼片四周與接地板間的窄縫形成。由等效原理知，窄縫上的電場(chǎng)的輻射可由面磁流的輻射來(lái)等效。等效的面磁流密度為第二十八頁(yè)，共五十六頁(yè)，編輯于2023年，星期一微帶天線工作原理—輻射機(jī)理沿兩條a邊的磁流是同向的，故其輻射場(chǎng)在貼片法線方向（z軸）同相相加，呈最大值，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b邊的磁流都由反對(duì)稱的兩部分構(gòu)成，它們?cè)贖面（yz平面）上各處的輻射相互抵消；而兩條b邊的磁流又彼此呈反對(duì)稱分布，因而在E面（xz平面）上各處，它們的場(chǎng)也都相消，在其它平面上這些磁流的輻射不會(huì)完全相消，但與沿兩條a邊的輻射相比，都相當(dāng)弱。

第二十九頁(yè)，共五十六頁(yè)，編輯于2023年，星期一微帶天線工作原理—輻射機(jī)理矩形微帶天線的輻射主要由沿兩條a邊的縫隙產(chǎn)生，該二邊稱為輻射邊。由于接地板的存在，天線主要向上半空間輻射。對(duì)上半空間而言，接地板的效應(yīng)近似等效于引入磁流的正鏡像。由于，因此它只相當(dāng)于將加倍，輻射圖形基本不變。第三十頁(yè)，共五十六頁(yè)，編輯于2023年，星期一微帶天線工作原理—分析方法最早出現(xiàn)的也最簡(jiǎn)單的是傳輸線模型(TLM-TransmissionLineModel)理論，主要用于矩形貼片。更嚴(yán)格更有用的是空腔模型(CM-CavityModel)理論，可用于各種規(guī)則貼片，但基本上限于天線厚度遠(yuǎn)小與波長(zhǎng)的情況。最嚴(yán)格而計(jì)算最復(fù)雜的是積分方程法(IEM-IntegralEquationMethod)即全波(FW-FullWave)理論。第三十一頁(yè)，共五十六頁(yè)，編輯于2023年，星期一微帶天線工作原理—分析方法從原理上說(shuō)，積分方程法可用于各種結(jié)構(gòu)、任意厚度的微帶天線，然而要受計(jì)算模型的精度和機(jī)時(shí)的限制。從數(shù)學(xué)處理上看，第一種理論把微帶天線的分析簡(jiǎn)化為一維的傳輸線問(wèn)題；第二種理論則發(fā)展到基于二維邊值問(wèn)題的求解；第三種理論又進(jìn)了一步，可計(jì)入第三維的變化，不過(guò)計(jì)算也費(fèi)時(shí)得多。

第三十二頁(yè)，共五十六頁(yè)，編輯于2023年，星期一微帶天線工作原理—分析方法這三種理論仍不斷地在某些方面有所發(fā)展，同時(shí)也出現(xiàn)了一些別的分析方法?；趯?duì)積分方程法的簡(jiǎn)化，產(chǎn)生了格林函數(shù)法(GFA-Green’sFunctionApproach)；而由空腔模型的擴(kuò)展，出現(xiàn)了多端網(wǎng)絡(luò)法(MNA-MultiportNetworkApproach)等。第三十三頁(yè)，共五十六頁(yè)，編輯于2023年，星期一傳輸線模型分析微帶天線的最簡(jiǎn)單而又適合某些工程應(yīng)用的理論模型是傳輸線模型。該模型將矩形微帶貼片看成場(chǎng)沿橫向（a邊）沒(méi)有變化的傳輸線諧振器．場(chǎng)沿縱向（b邊）呈駐波變化，輻射主要由兩開路端（a邊）處的邊緣場(chǎng)產(chǎn)生。因此，微帶天線可表示為相距b的兩條平行縫隙（長(zhǎng)a寬h）。第三十四頁(yè)，共五十六頁(yè)，編輯于2023年，星期一傳輸線模型y=0處的縫隙等效面磁流為該磁流所產(chǎn)生的電矢位為第三十五頁(yè)，共五十六頁(yè)，編輯于2023年，星期一傳輸線模型等效電路如圖第三十六頁(yè)，共五十六頁(yè)，編輯于2023年，星期一傳輸線模型惠勒（H.A.Wheeler）給出微帶線的特性阻抗Zc的計(jì)算公式如下：w/h>1w/h<1第三十七頁(yè)，共五十六頁(yè)，編輯于2023年，星期一傳輸線模型施奈德（M.V.Schneider）已得出等效相對(duì)介電常數(shù)的一個(gè)簡(jiǎn)單經(jīng)驗(yàn)公式：第三十八頁(yè)，共五十六頁(yè)，編輯于2023年，星期一矩形貼片天線的傳輸線模型縫隙兩端間有一輻射電導(dǎo)Gs，利用級(jí)數(shù)展開式表示，略去高階項(xiàng)后可得近似結(jié)果如下：第三十九頁(yè)，共五十六頁(yè)，編輯于2023年，星期一矩形貼片天線的傳輸線模型除輻射電導(dǎo)外，開路端縫隙的等效導(dǎo)納還有一電容部分。它由邊緣效應(yīng)引起，其電納可用延伸長(zhǎng)度Δl來(lái)表示：哈默斯塔德給出Δl的經(jīng)驗(yàn)公式如下：第四十頁(yè)，共五十六頁(yè)，編輯于2023年，星期一矩形貼片天線的傳輸線模型當(dāng)從輻射邊對(duì)矩形貼片饋電時(shí)，將一條縫隙的導(dǎo)納加上長(zhǎng)為b的傳輸線變換后的另一縫隙導(dǎo)納，便得出微帶天線的輸入導(dǎo)納：第四十一頁(yè)，共五十六頁(yè)，編輯于2023年，星期一矩形貼片天線的傳輸線模型用延伸長(zhǎng)度來(lái)表示電容效應(yīng)，則可獲得更簡(jiǎn)便的計(jì)算式：第四十二頁(yè)，共五十六頁(yè)，編輯于2023年，星期一矩形貼片天線的傳輸線模型H面E面第四十三頁(yè)，共五十六頁(yè)，編輯于2023年，星期一矩形貼片天線的傳輸線模型半功率波瓣寬度近似值如下：第四十四頁(yè)，共五十六頁(yè)，編輯于2023年，星期一矩形貼片天線的E面方向圖第四十五頁(yè)，共五十六頁(yè)，編輯于2023年，星期一矩形貼片天線H面方向圖第四十六頁(yè)，共五十六頁(yè)，編輯于2023年，星期一矩形貼片天線的尺寸設(shè)計(jì)第四十七頁(yè)，共五十六頁(yè)，編輯于2023年，星期一空腔模型理論羅遠(yuǎn)祉(Y.T.Lo)等在1979年提出了空腔模型理論