第六章缝隙天线与微带天线分析
波导缝隙天线分析与研究
波导缝隙天线分析与研究波导缝隙天线是一种广泛应用于无线通信领域的设备，它的性能优劣直接影响到无线通信系统的性能。
本文将围绕波导缝隙天线展开分析与研究，具体包括其定义、特点、应用场景等方面，并对其优缺点进行深入探讨。
波导缝隙天线定义与特点波导缝隙天线是一种利用波导窄边缝隙作为辐射源的微波天线，它主要由波导和缝隙两个部分构成。
波导通常采用传输线形式，通过在波导窄边开缝产生辐射，实现电磁波的发射和接收。
波导缝隙天线具有结构简单、易于制造、成本低等优点，同时具有高辐射效率、宽频带及良好定向性等优良特性。
波导缝隙天线应用场景波导缝隙天线因其优良的性能而被广泛应用于卫星通信、移动通信和互联网等多个领域。
卫星通信在卫星通信领域，波导缝隙天线被广泛应用于地球站、卫星地面站等场所。
作为一种典型的微波通信方式，卫星通信对天线的性能要求较高，而波导缝隙天线的高辐射效率、宽频带及良好定向性等特点恰好满足其需求。
通过与其他微波器件的配合，波导缝隙天线可用于实现卫星通信链路的发送和接收。
移动通信在移动通信领域，波导缝隙天线同样具有广泛的应用。
例如，在基站建设中使用波导缝隙天线可以增强信号覆盖范围和提高信号质量。
波导缝隙天线还被用于移动终端设备中，以提高设备的通信性能。
互联网在互联网领域，波导缝隙天线主要应用于无线局域网（WLAN）和微波接入互联网（WiMAX）等无线通信系统。
在这些系统中，波导缝隙天线作为发射和接收装置，可以实现高速无线数据传输。
同时，其宽频带及良好定向性的特点有助于提高无线通信系统的容量和稳定性。
波导缝隙天线优缺点波导缝隙天线具有许多优点，如结构简单、易于制造、成本低等。
同时，它还具有高辐射效率、宽频带及良好定向性等优良特性。
然而，波导缝隙天线也存在一些缺点，主要表现在以下几个方面：交叉极化性能较差交叉极化是衡量天线性能的重要指标之一，它表示天线的辐射方向图中主极化分量与交叉极化分量的比值。
在实际应用中，波导缝隙天线的交叉极化性能较差，这可能导致信号质量的下降。
缝隙天线
2019/9/3
20
裂缝天线与微带天线的特点
裂缝天线与微带天线的特点 在结构上。天线元的三维尺寸一般小于波长，而且一维的尺寸（厚 度）更是远小于波长，长称为“低剖面”天线。 在工作原理上，裂缝天线看成是磁流激励的磁振子，而微带天线可 以看作是端部开缝的泄漏波介质谐振腔。 裂缝天线与微带天线的优点 这种天线的厚度极小，适宜安装在飞机和航天飞行器的壳体上，既不 向外凸出影响飞行器的空气动力特性，也不想内凹进影响其它设备 的安装。此外，这种天线还具有结构牢固，造价简单，馈电方便的 优点。 裂缝天线与微带天线的缺点 频带窄、功率容量低
2019/9/3
21
对偶
H
e t1
金属薄片振子
S1
:Etm1
0,H
m t1
0;
S2
:Etm20Hm t20;S1
:H
e t1
0Ete1
0;
S2
:H
e t2
0,te2
0;
2019/9/3
缝隙的电场边界条件与振子的磁场边界条件相同，缝 隙的磁场边界条件和振子的电场边界条件相同
5
工作在TE10模的矩形波导的壁电流分布
Js nˆ H s
2019/9/3
6
（一）谐振缝隙振
最大辐射方向
g
最大辐射方向
各个缝隙同相激励，最大辐射方向与波导的轴线垂直
2019/9/3
7
2019/9/3
8
2019/9/3
9
（二）非谐振式缝隙阵
d
d g
2
2 d g
2019/9/3
2
半波对称振子的辐射场
微带缝隙天线原理
微带缝隙天线原理微带缝隙天线是一种常见的天线结构，它利用微带线和缝隙的特性来实现辐射和接收电磁波的功能。
本文将介绍微带缝隙天线的原理以及其在通信领域中的应用。
一、微带缝隙天线的原理微带缝隙天线是一种基于微带线的射频天线，其结构主要由导体片、介质基板和接地板组成。
其中，导体片通过缝隙与接地板相连，形成一个闭合的电路环路。
当外界电磁波作用于导体片上时，导体片会受到激励并产生电流，从而实现电磁波的辐射和接收。
微带缝隙天线的工作原理可以用谐振模式来解释。
当微带缝隙天线处于谐振状态时，导体片上的电流会以特定的频率进行振荡。
这种谐振频率取决于导体片的几何形状、尺寸以及基板的电特性。
通过调整这些参数，可以使微带缝隙天线在特定的频段内表现出较好的工作性能。
二、微带缝隙天线的应用微带缝隙天线由于其简单的结构和良好的性能，在通信领域中得到了广泛的应用。
以下是几个常见的应用场景：1. 无线通信：微带缝隙天线可以用于手机、无线局域网、蓝牙等无线通信设备中，实现信号的传输和接收。
2. 卫星通信：微带缝隙天线可以用于卫星通信系统中，提供稳定的信号传输和接收能力。
3. 雷达系统：微带缝隙天线可以用于雷达系统中，实现目标的探测和跟踪功能。
4. 航空航天：微带缝隙天线可以用于航空航天领域，实现飞机和卫星的通信需求。
5. 军事通信：微带缝隙天线可以用于军事通信系统中，提供安全可靠的通信保障。
三、微带缝隙天线的优势与传统的天线相比，微带缝隙天线具有以下优势：1. 尺寸小巧：微带缝隙天线采用微带线作为辐射元件，具有尺寸小巧的特点，适用于对天线体积有限的场景。
2. 制作简单：微带缝隙天线的制作工艺相对简单，成本低廉，适合大规模生产。
3. 宽带性能：微带缝隙天线在一定频段内具有较好的工作性能，能够实现宽带通信需求。
4. 方向性辐射：微带缝隙天线具有一定的方向性辐射特性，可以实现特定方向的信号传输和接收。
微带缝隙天线是一种基于微带线的射频天线，利用导体片和缝隙的特性实现电磁波的辐射和接收。
《微波技术与天线》第六章 天线.ppt
29
天线的的方向图参数
旁瓣电平
指离主瓣最近且电平最高的第一旁瓣电平（dB）。 不需要辐射的区域电平应尽可能低。
前后比
最大辐射方向（前向）电平与其相反方向（后向）电平 之比。（dB）
2020/4/27
30
天线的的方向图参数
方向系数D
在离天线某距离处，天线在最大辐射方向上的辐射功
率流密度Psmax 与相同辐射功率的理想无方向性天线 在同一距离处的辐射功率流密度Ps0之比（dB）。
21
基本振子的辐射
结论
比较电基本振子的远区场Eθ与磁基本振子的远区 场Eφ，可以发现它们具有相同的方向函数|sinθ|, 而且在空间相互正交，相位相差90°。
所以将电基本振子与磁基本振子组合后，可构成 一个椭圆（或圆）极化波天线。螺旋天线为该情 况。
2020/4/27
22
天线的电参数
天线方向图参数 天线效率 增益系数 极化特性 频带宽度 输入阻抗 有效长度
设有一电阻RΣ, 当通过它的电流等于天线上的最大电 流时, 其损耗的功率就等于其辐射功率。
辐射电阻的高低是衡量天线辐射能力的一个重要指标： 辐射电阻越大，天线的辐射能力越强。
A
R R RL
1 1 RL
R
中长波和电尺寸很小的天线中：R∑小， RL大，ηA小， 仅百分之几； 202超0/4/27短波、微波，电尺寸可以做的很大， ηA→１。 35
如果通信的一方是剧烈摆动或高速运动着的，为了提 高通信的可靠性，发射和接收都应采用圆极化天线。
如果雷达是为了干扰和侦察对方目标，也要使用圆极 化天线。典型的例子是车载GPS常用的圆极化天线。
在人造卫星、宇宙飞船和弹道导弹等空间遥测技术中， 由于信号通过电离层后会产生法拉第旋转效应, 因此 其发射和接收也采用圆极化天线。
缝隙天线与微带天线
1.2 缝隙天线 最基本的缝隙天线是由开在矩形波导壁上的半波 谐振缝隙构成的。由电磁场理论，对 TE10 波而言，如 图5―1―3所示，在波导宽壁上有纵向和横向两个电流分 量，横向分量的大小沿宽边呈余弦分布，中心处为零， 纵向电流沿宽边呈正弦分布，中心处最大；
c h a g b f d
e
图5―1―3 TE10波内壁电流分布与缝隙配置示意图
参见图5―1―2，但是两者具有相同的方向性，其方向函 数为
cos(kl cos ) cos kl f ( ) sin
（5―1―7）
例如,理想半波缝隙天线(2l=λ /2)的H面方向图如 5―1―2(b)图所示，而其E面无方向性。理想缝隙天线同 样可以计算其辐射电阻。如果以缝隙的波腹处电压值 Um=Emw为计算辐射电阻的参考电压，缝隙的辐射功 率Pr,m与辐射电阻Rr,m之间的关系为
而波导窄壁上只有横向电流，且沿窄边均匀分布。如 果波导壁上所开的缝隙能切割电流线，则中断的电流 线将以位移电流的形式延续，缝隙因此得到激励，波 导内的传输功率通过缝隙向外辐射，这样的缝隙也就 被称为辐射缝隙，例如图5―1―4所示的缝隙a、b、c、 d、e。当缝隙与电流线平行时，不能在缝隙区内建立 激励电场，这样的缝隙因得不到激励，不具有辐射能 力，因而被称为非辐射缝隙，如缝隙f。
I
m
l
E dl
（5―1―3）
对于x>0的半空间内，其等效磁流强度为
I 2Em sin[k (l z )]
m
（5―1―4）
上式中的磁流最大值为2Emw。
z
＝ ∞
2l
y
图5―1―1 理想缝隙的坐标图
根据电磁场的对偶原理，磁对称振子的辐射场可 以直接由电对称振子的辐射场对偶得出为
微带天线顶级教程
微带天线顶级教程微带天线§6.1 缝隙天线缝隙天线：开在波导或谐振腔上缝隙，用以辐射或接收电磁波。
6.1.1 理想缝隙天线理想缝隙天线：开在无限大、无限薄的理想导体平面上的直线缝隙，用同轴传输线激励。
假设位于yoz 平面上的无限大理想导体平面上开有宽度为ω（λω<<）、长度2/2λ=l 的缝隙。
缝隙被激励后，只存在垂直于长边的切向电场，并对缝隙的中点呈对称驻波分布，其表达示为：()()[]y m ez l k E z E ˆsin --=m E ---缝隙中间波腹处的场强值。
缝隙相当于一个磁流源，由电场分布可得到等效磁流密度为：()[]()[]⎩⎨⎧<-->-=⨯-==0,ˆsin 0,ˆsin ˆ0x e z l k E x ez l k E E nJ z mz m z m等效磁流强度为：()[]()[]⎩⎨⎧<-->-=⋅=⎰0,sin 20,sin 2x z l k E x z l k E l d E I m m l m ωω 也就是说，缝隙可等效成沿Z 轴放置的、与缝隙等长的线状磁对称阵子。
根据对偶原理，磁对称阵子的辐射场可由电对称阵子的辐射场对偶得出。
对于电对称阵子，电流分布为：)(sin )(z l k I z I -=辐射场表达式：θθθsin )cos()cos cos(60kl kl r Ie j E jkr -=- ()()ϑϑπϕsin cos cos cos 2kl kl r Ie j H jkr -=- 由此得到0>x 半空间，磁对称阵子的辐射场为：()()ϑϑπωϕsin cos cos cos kl kl r e E j E jkr m m--=-输入阻抗2)60(π=ine inm Z Z任意长度的理想缝隙天线的输入阻抗、辐射阻抗均可由与其互补的电对称阵子的相应值求得。
例如，半波对称阵子的辐射阻抗为Ω=1.73re R ，理想半波缝隙天线的辐射电阻应为：Ω==5001.73)60(2πrmR 由于谐振电对称阵子的输入阻抗为纯阻，因此谐振缝隙的输入阻抗也为纯阻，并且其谐振长度同样稍短于2λ，且缝隙越宽，缩短程度越大。
微带缝隙天线原理
微带缝隙天线原理微带缝隙天线是一种新型的天线结构，它是由一块金属板和一个介质基板组成的。
在金属板上开一个缝隙，形成一个微带线，然后在微带线的两端接上馈线，就形成了微带缝隙天线。
微带缝隙天线具有体积小、重量轻、易于制造、频率可调、辐射方向可控等优点，因此在通信、雷达、卫星通信等领域得到了广泛应用。
微带缝隙天线的原理是利用微带线的谐振特性来实现天线的辐射。
当微带线的长度等于1/2波长时，微带线会产生谐振，从而形成一个谐振腔。
当馈线向微带线输入电磁波时，电磁波会在谐振腔内反复反射，从而形成了一种谐振模式。
这种谐振模式会在微带线的缝隙处辐射出去，形成天线的辐射场。
微带缝隙天线的辐射特性与微带线的长度、宽度、厚度、介质常数、缝隙的位置和大小等因素有关。
通过调整这些因素，可以实现微带缝隙天线的频率可调和辐射方向可控。
例如，当微带线的长度增加时，天线的工作频率会降低；当微带线的宽度增加时，天线的辐射方向会向水平方向偏移。
微带缝隙天线的制造方法主要有两种：印刷电路板法和微电子加工法。
印刷电路板法是将微带线和馈线印刷在介质基板上，然后通过化学腐蚀或机械加工的方式制作出缝隙。
微电子加工法是利用微电子加工技术在介质基板上制作出微带线和缝隙，然后再将馈线连接上去。
这两种方法都具有制造简单、成本低廉的优点。
总之，微带缝隙天线是一种体积小、重量轻、易于制造、频率可调、辐射方向可控的新型天线结构。
它的原理是利用微带线的谐振特性来实现天线的辐射。
通过调整微带线的长度、宽度、厚度、介质常数、缝隙的位置和大小等因素，可以实现微带缝隙天线的频率可调和辐射方向可控。
微带缝隙天线的制造方法主要有印刷电路板法和微电子加工法。
缝隙天线与微带天线
I
m
E dl E dl
ll
对于x>0的半空间内，其等效磁流强度为
I 2Em sin[k (l z )]
m
根据电磁场的对偶原理，磁对称 振子的辐射场可以直接由电对称振子的 辐射场对偶得出为 Em cos(kl cos ) cos(kl ) jkr m E j e e r sin Em cos(kl cos ) cos( kl ) jkr m H j e e r sin
2l
y
E( z) Em sin[k (l z ]ey
在x>0的半空间内，缝隙相当于一个等效磁流源，其等效磁 流密度为
J m n E
x0
Em sin[k (l z )]ez
缝隙最终可以被等效成一个片状的、 沿z轴放置的、与缝隙等长的磁对称振子。
讨论远区的辐射问题时，可将缝隙视为线状磁对称振子，根 据与全电流定律对偶的全磁流定律
目受到限制，增益较低，因此实际中较少采用。
g g / 2
g
(a ) 活塞
纵向谐振缝隙阵二
图中对应的螺钉需要交替地分布在中心线两侧。Leabharlann g / 2g / 2
(c)
/2 纵向谐振缝隙阵三
g
对于开在窄壁上的斜缝，相邻斜缝之间的距离为λg/2，斜缝通过切入宽壁的深度 来增加缝隙的总长度，并且依靠倾斜角的正负来获得附加的 π相差，以补偿横向 g / 2 电流λg/2所对应的π相差而得到各缝隙的同相激励。
5.1 缝隙天线
5.1.1 理想缝隙天线
理想缝隙天线是开在无限大、无限薄的 理想导体平面上(yOz)的直线缝隙， 可以由 同轴传输线激励。
缝隙的宽度 w 远小于波长， 而其长度 2l 通常为λ/2。
缝隙天线原理
缝隙天线原理缝隙天线是一种用于无线通信的天线设计，它利用了物体表面的缝隙来传输和接收无线电信号。
它的工作原理是基于电磁波通过缝隙传播的特性。
缝隙天线的设计灵感来自于自然界中的现象。
在大自然中，许多生物都利用缝隙来进行声音或光的传输。
例如，蝙蝠利用缝隙来发射和接收超声波信号，以便定位和捕食猎物。
类似地，光线在两个平行的墙壁之间的缝隙中传播时，也会出现衍射现象，这就是缝隙衍射。
在无线通信中，缝隙天线的工作原理类似于缝隙衍射。
当无线电信号通过缝隙传播时，会出现衍射现象，使得信号能够传播到缝隙的另一侧。
这就相当于在原本无法到达的区域中创建了一个传输通道。
缝隙天线的设计通常采用金属板、金属棒或金属网格等材料制成。
这些材料具有良好的导电性能，可以有效地传输和接收无线电信号。
在天线设计中，缝隙的尺寸和形状对信号的传输和接收起着重要的影响。
一般来说，较小的缝隙会导致信号的频率范围较窄，而较大的缝隙则会导致信号的频率范围较宽。
缝隙天线的优点之一是其紧凑的设计。
由于它利用了物体表面的缝隙来传输和接收信号，因此可以将天线隐藏在物体的表面之中，使其不易被察觉。
这在某些应用场景中非常有用，例如军事侦察和隐蔽通信。
另一个优点是缝隙天线的多频段特性。
由于缝隙的尺寸和形状可以灵活调整，因此可以实现对多个频段的传输和接收。
这使得缝隙天线在多种通信系统中都具有广泛的应用前景。
然而，缝隙天线也存在一些挑战和限制。
首先，由于缝隙的尺寸和形状对信号的传输和接收起着重要的影响，因此天线的设计和调试需要一定的专业知识和技术。
其次，由于缝隙天线通常是嵌入在物体表面中的，因此其性能可能会受到物体表面的影响，如金属表面的反射和散射。
这需要在设计和使用过程中进行充分的考虑和优化。
总的来说，缝隙天线是一种创新的无线通信天线设计。
它利用了物体表面的缝隙来传输和接收无线电信号，具有紧凑的设计和多频段特性。
尽管存在一些挑战和限制，但缝隙天线在军事、隐蔽通信等领域具有广泛的应用前景。
第六章-微带天线
郭景丽 邹艳林
第六章 微带天线
微带辐射器的概念首先由 Deschamps 于 1953 年提出来。但是，过了 20 年， 到了 20 世纪 70 年代初，当较好的理论模型以及对敷铜或敷金的介质基片的光刻 技术发展之后，实际的微带天线才制造出来，此后这种新型的天线得到长足的发 展。
微带天线可以分为三种基本 类型：微带贴片天线、微带行波天 线和微带缝隙天线。微带行波天线 （MTA）是由基片、在基片一面 上的链形周期结构或普通的长 TEM 波传输线（也维持一个 TE 模）和基片另一面上的地板组成。 TEM 波传输线的末端接匹配负 载，当天线上维持行波时，可从天 线结构设计上使主波束位于从边 射到端射的任意方向。
−h / 2 m
(6-1-3) (6-1-4)
将上式转化到球坐标系下应为：
∫ ∫ r
F
=
(−rˆ cosϕ
+ θˆ sinθ
)
1
4πr
W2 −W 2
J e dzdx h / 2
− jk (r − x sin θ cosϕ + z cosθ )
−h / 2 m
(6-1-5)
设磁流沿
x
和
z
的分布都是均匀的，则由
sin
θ
cosϕ ⎟⎞ sinθ ⎠
(6-1-8)
2
2
当介质厚度非常小时 kh << 1，上式可化简为：
Ev
= ϕˆ
jUkW
e − jkr πr
sin( kW cosθ 2
kW cosθ
)
cos⎜⎛ ⎝
1 2
kL
sin
θ
cosϕ ⎟⎞ sinθ ⎠
微带线天线研究剖析
微带天线研究摘要通信系统的发展带来了天线行业的勃勃生机，在众多的天线类型中微带天线已成为当前研究的前沿之一，很具有研究前景与实用意义.特别是微带缝隙天线，以其重量轻、剖面薄、平面结构且易与载体共形,馈电网络可与天线结构一起制成等优点已经引起天线工作者的广泛关注.本文简要介绍了微带天线和微带缝隙天线的分类、分析方法、主要参数，然后提出了一种三角形缝隙微带天线。
在介质基板的一面一个三角形缝隙，另一面采用一个等腰三角形微带线进行馈电。
通过仿真给出了天线的s参数，VSWR和方向图。
关键词：天线参数,微带天线，微带缝隙天线，三角形缝隙微带天线设计目录一、绪论 (3)1.1 简介 (3)1。
2 微带天线的发展 (3)1。
3 微带天线的特点 (3)二、微带天线基本知识 (4)2.1 微带天线的辐射机理 (4)2。
2微带天线的分析方法 (4)2。
3微带天线的主要电参数 (5)2.3。
1 输入导纳 (5)2.3.2 辐射电阻和品质因数 (5)2.3.3 带宽 (6)2。
3。
4 方向性系数、增益和天线效率 (6)2.3.5 方向图 (7)2。
4 激励方法 (7)2。
4。
1 微带馈电 (7)2。
4。
2 同轴线馈电 (8)三、微带缝隙天线 (8)3.1 矩形缝隙天线 (9)3.1.1 输入阻抗 (9)3.1.2 方向图 (11)3。
2 环形缝隙天线 (11)3.3 锥形缝隙天线天线 (12)四、三角缝隙宽缝微带天线 (13)4。
1 天线设计与性能 (13)4。
2 软件仿真 (14)参考文献 (15)一、绪论1.1简介微带天线（microstrip antenna）是在一个薄介质基片上,一面附上金属薄层作为接地板,另一面用光刻腐蚀方法制成一定形状的金属贴片，利用微带线或同轴探针对贴片馈电构成的天线。
微带天线分2 种：①贴片形状是一细长带条，则为微带振子天线。
②贴片是一个面积单元时，则为微带天线。
如果把接地板刻出缝隙，而在介质基片的另一面印制出微带线时，缝隙馈电，则构成微带缝隙天线。
天线原理与设计—第六章缝隙天线和波导缝隙天线阵
6.1 缝隙天线 缝隙天线是在金属壁上开缝所形成的天线，系统 中的电磁波经缝隙向外空间辐射或外空间的电磁 波经缝隙进入系统。
由于结构的特点，缝隙天线很适合作为共形天线 用于飞行器上。
理想缝隙天线是在无限大的理想导体平面上开的 窄缝，缝的横向尺寸 w<<l,纵向尺寸2l≈λ/2。
为了更好地理解缝隙天线，需要先介绍电磁场的 等效原理。
6.1 缝隙天线
缝隙天线的原理
6.1 缝隙天线
缝隙天线
等效磁流
对偶的导体 对称振子
6.1 缝隙天线 无限大导体平面上的半波长缝隙天线与互补的半 波长对称振子的方向图相同，但电场E和磁场H互 换。
6.1 缝隙天线
缝隙天线输入阻抗
根据电磁理论，缝隙天线的阻抗与其互补天线的阻抗之间 有如下关系： 2 s c
Zin Zin 4
其中，互补天线（偶极子天线）输入阻抗为73.1Ω，空间波阻 抗为120π，因此 2 60 s Zin 486 73.1 对于处于谐振状态的半波天线的输入阻抗为纯电阻，其互补的 具有相同长度、但宽度约为半波天线直径两倍的缝隙天线的输 入阻抗也为纯电阻。
6.1 缝隙天线
六、缝隙天线和波导缝隙天线阵
6.1 缝隙天线
缝隙天线结构
缝隙天线是在金属板或壁上开缝所形成的天线，系统中的
电磁波通过缝隙向外空间辐射，或外空间的电磁波经缝隙 进入系统。
缝隙天线结构简单、低轮廓，适合作为共形天线用于飞行
器。
理想的缝隙天线是在无限大理想导体平面上开的窄缝，缝
长远大于缝宽，缝长约为二分之波长。
6.1 波导缝隙天线阵
波导缝隙的辐射导纳
可通过理论计算或实验测量得到
天线9_缝隙.微带贴片天线
窄边斜半波谐振缝隙
x1 b
计算任意缝隙的等效 阻抗或导纳是一个极复杂
的问题，也没有其等效电
g
路的一般公式，等效电路 的参数可以由实验来决定。
(c)
其归一化电导为
sin cos( sin ) 3 g 2 g g 0.131 3 [ sin ]2 ab 1 ( sin ) g
缝隙天线ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
辐射功率与辐射电导
波导缝隙天线和理想缝隙天线的辐射空间不同，波导 缝隙天线的辐射功率相当于理想缝隙天线的一半，因此 波导缝隙天线的辐射电导也就为理想缝隙天线的一半。 对于半波谐振波导缝隙，其辐射电导为
Gr,m≈0.001S
波导上的辐射缝隙给波导内的传输带来的影响，不 仅是将传输的能量经过缝隙辐射出去，还引起了波导内 等效负载的变化，从而引起波导内部传输特性的变化。 根据波导缝隙处电流和电场的变化，可以把缝隙等效成 传输线中的并联导纳或串联阻抗，从而建立起各种波导 缝隙的等效电路。
由微波技术知识可知，波导可以等效为双线传输 线，所以波导上的缝隙可以等效为和传输线并联或串 联的等效阻抗。 宽壁横缝截断了纵向电流，因而纵向电流以位移 电流的形式延续，其电场的垂直分量在缝隙的两侧反 相，导致缝隙的两侧总电场发生突变，故此种横缝可 等效成传输线上的串联阻抗。
横向 缝隙
b
波导宽壁横缝附近的电场
波导宽壁纵缝却使得横向电流向缝隙两端分流，因而造 成此种缝隙两端的总纵向电流发生突变，所以矩形波导宽壁 纵缝等效成传输线上的并联阻抗或导纳。
纵 向 电 流 横 向 电 流
a 纵 向 缝 隙
波导宽壁纵缝附近的电流
若某种缝隙同时引起纵向电流和电场的突变，则可以把 它等效成一个四端网络。
第六章缝隙天线与微带天线
1 2
um 2 Rr,m
缝隙辐射电阻
若理想缝隙天线与其互补的电对称振子
的辐射功率相等，则
Um
60
I
e m
缝隙波腹处电流值
因为电对称振子的辐射功率Pr,e与其辐射
电阻Rr,e的关P系r,e 为 12
I
e m
2
Rr,e
推导出理想缝隙天线的辐射电阻与其互补的电对称振子
的辐射电阻之间关系式：
Rr,mRr,e (60 )2
传输线模型
分析微带天线的最简单而又适合某些工 程应用的理论模型是传输线模型。 该模型将矩形微带贴片看成场沿横向（a 边）没有变化的传输线谐振器．场沿纵 向（b边）呈驻波变化，辐射主要由两开 路端（a边）处的边缘场产生。因此，微 带天线可表示为相距b的两条平行缝隙 （长a宽h）。
传输线模型
y=0处的缝隙等效面磁流为
为了加强缝隙天线的方向性，可以在 波导上按一定的规律开出一系列尺寸相 同 的 缝 隙 ， 构 成 波 导 缝 隙 阵 （ Slot Arrays）。由于波导场分布的特点，缝 隙天线阵的组阵形式更加灵活和方便， 但主要有以下两类组阵形式。
谐振式缝隙阵（Resonant Slot Arrays）
波导上所有缝隙都得到同相激励。 最大辐射方向与天线轴垂直，为边射阵
1
90
a
0
2
Gs
1 a
120 0
1
60 2
1 a
120 0
(a 0.350 ) (0.350 a 20 ) (a 20 )
矩形贴片天线的传输线模型
除辐射电导外，开路端缝隙的等效导纳 还有一电容部分。它由边缘效应引起， 其电纳可用延伸长度Δl来表示：
第六章缝隙天线与微带天线
传输线模型
分析微带天线的最简单而又适合某些工 程应用的理论模型是传输线模型。 该模型将矩形微带贴片看成场沿横向（a 边）没有变化的传输线谐振器．场沿纵 向（b边）呈驻波变化，辐射主要由两开 路端（a边）处的边缘场产生。因此，微 带天线可表示为相距b的两条平行缝隙 （长a宽h）。
第六章缝隙天线与微带天线
传输线模型
施奈德（M.V.Schneider）已得出等效相 对介电常数的一个简单经验公式：
e
1 2r
1r
111h 01/2
w
第六章缝隙天线与微带天线
矩形贴片天线的传输线模型
缝隙两端间有一辐射电导Gs，利用级数 展开式表示，略去高阶项后可得近似结 果如下：
矩形波导缝隙天线阵的方向图可用方向图乘积定理求出，单元天线的方向图 即为与半波缝隙互补的半波对称振子的方向图，阵因子决定于缝隙的间距以 及各缝隙的相对激励强度和相位差。
第六章缝隙天线与微带天线
方向系数
工程上波导缝隙天线阵的方向系数可用下式估算：
D3.2N
式中N为阵元缝隙个数。
第六章缝隙天线与微带天线
第六章缝隙天线与微带天线
通常称理想缝隙与和它对偶的电对称振子 为互补天线，因为它们相结合时形成单一的 导体屏而没有重叠或孔隙。
它们的区别在于场的极化不同：H面（通
过缝隙轴向并且垂直于金属板的平面）、E面
（垂直于缝隙轴向和金属板的平面）互换。
第六章缝隙天线与微带天线
方向性
理想缝隙与和它对偶的电对称振子具有 相同的方向性，其方向函数为
以缝隙波腹处电压值Um=Emw为计算辐射
电阻的参考电压，则
缝隙的辐射功率
Pr ,m
1 2
SIW缝隙阵天线
1、SIW的结构和特性 2、缝隙天线的原理 3、SIW缝隙阵天线的设计 4、实验测试结果
理想缝隙天线
无论缝隙被何种方式激励， 缝隙 中只存在切向的电场强度， 电场强度 一定垂直于缝隙的长边， 并对缝隙的 中点呈上下对称的驻波分布， 即
谐振式SIW缝隙阵天线
利用了在宽壁中心线两侧对称 位置处横向电流反相、沿波导 每隔λg/2场强反相的特点，纵 缝每隔λg/2交替地分布在中心 线两侧即可得到同相激励。
3.6GHz 1x4 SIW谐振式缝隙阵天线
3.6GHz 1x4 SIW谐振式缝隙阵天线
p0.314.0665842
0.1183 1.2729 a/p1.2010
3 1.0082a/p0.901.261352
矩形波导仿真
SIW仿真
微带－SIW过渡
Ke Wu, Integrated Microstrip and Rectangular Waveguide in Planar Form, IEEE MWCLS, Vol. 11, No. 2, 2001
导波结构的特点
波导导波结构
SIW导波结构
平面导波结构
采用LTCC或PCB技术，可以用周期性的金属 通孔来构造类似波导的导波结构，从而把 波导集成在平面电路板内部，这种结构称 为基片集成波导（简称SIW）
SIW等效矩形波导
经验公式： aRWG aa
其中：a
1
缝隙天线的等效电路
缝隙天线的等效电路
缝隙天线是一种常见的微带天线，其等效电路可以通过以下步骤推导：
1. 将缝隙天线的结构分解成两个部分：一个带通滤波器和一个微带传输线。
2. 对于带通滤波器，可以使用RC网络进行等效电路建模。
具体来说，可以将带通滤波器的输入端和输出端分别连接一个RC网络，并将两个网络并联在一起。
这样，等效电路中就包含了两个RC网络和一个并联支路。
3. 对于微带传输线，可以使用传输线模型进行等效电路建模。
具体来说，可以将微带传输线的输入端和输出端分别连接一个传输线模型。
这样，等效电路中就包含了一个传输线模型和一个短路支路。
4. 将两个等效电路连接起来，就得到了缝隙天线的等效电路。
具体来说，等效电路中包含了一个并联支路（带通滤波器和微带传输线的并联支路）和一个串联支路（带通滤波器和微带传输线的串联支路）。
等效电路的具体参数需要根据缝隙天线的具体结构和工作频率进行计算。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
通常称理想缝隙与和它对偶的电对称振子 为互补天线，因为它们相结合时形成单一的 导体屏而没有重叠或孔隙。 它们的区别在于场的极化不同： H面（通 过缝隙轴向并且垂直于金属板的平面）、E面 （垂直于缝隙轴向和金属板的平面）互换。
谐振式缝隙阵（Resonant Slot Arrays）
波导上所有缝隙都得到同相激励。 最大辐射方向与天线轴垂直，为边射阵
。
波导终端通常采用短路活塞。
下面介绍常见的谐振式缝隙阵
开在宽壁上的横向谐振缝隙阵
为保证各缝隙同相，相邻缝隙的间距应取为λg。由于波导波长λg大于自由空 间波长，这种缝隙阵会出现栅瓣，同时在有限长度的波导壁上开出的缝隙数
方向性
理想缝隙与和它对偶的电对称振子具有 相同的方向性，其方向函数为
cos(kl cos ) cos kl f ( ) sin
例
理想半波缝隙天线(2l=λ/2)，H面方向图如右图所示，而 其E面无方向性。
半波缝隙天线的 H 面方向图 半波缝隙天 H 面 线 方 的向 图
z
y
缝隙的场矢量线分布图 (a)电力线；(b)磁力线
max
arcsin 2 d
非谐振缝隙天线适用于频率扫描天线，因为α与频率有关，波束指向θmax 可以随之变化。 非谐振式天线的优点是频带较宽，缺点是效率较低。
匹配偏斜缝隙阵
如果谐振式缝隙天线阵中的缝隙都是
匹配缝隙，即不在波导中产生反射，波导
终端接匹配负载，就构成了匹配偏斜缝隙Leabharlann 天线阵。天线理论与技术
第六讲 缝隙天线与微带天线
5.1 缝隙天线
5.1.1 理想缝隙天线
理想缝隙天线是开在无限大、无限薄的 理想导体平面上(yOz)的直线缝隙， 可以由 同轴传输线激励。
缝隙的宽度 w 远小于波长， 而其长度 2l 通常为λ/2。
z
＝ ∞
坐标图
2l
y
辐射场
z
＝ ∞
无论缝隙被何种方式激励 ， 缝隙中只存在切向的电场强 度， 电场强度一定垂直于缝隙 的长边， 并对缝隙的中点呈上 下对称的驻波分布， 即
x＜ 0
x＞ 0
理想缝隙天线 辐射电阻
以缝隙波腹处电压值Um=Emw为计算辐射 电阻的参考电压，则
缝隙的辐射功率
Pr ,m
1 um 2 Rr ,m
2
缝隙辐射电阻
若理想缝隙天线与其互补的电对称振子 的辐射功率相等，则
Um 60 I
e m
缝隙波腹处电流值
因为电对称振子的辐射功率 Pr,e 与其辐射 电阻Rr,e的关系为1 e 2
和半波振子类似，理想半波缝隙天线的 输入电阻也为500Ω，该值很大，所以在用 同轴线给缝隙馈电时存在困难，必须采用 相应的匹配措施。
6.2波导缝隙天线阵
为了加强缝隙天线的方向性，可以在 波导上按一定的规律开出一系列尺寸相 同 的 缝 隙 ， 构 成 波 导 缝 隙 阵 （ Slot Arrays ）。由于波导场分布的特点，缝 隙天线阵的组阵形式更加灵活和方便， 但主要有以下两类组阵形式。
/2
x1
g /2
图示的波导宽壁上的匹配偏斜缝隙天线阵，适当地调整缝隙对中线的偏移x1和 斜角δ，可使得缝隙所等效的归一化输入电导为1，其电纳部分由缝隙中心附近 的电抗振子补偿，各缝隙可以得到同相，最大辐射方向与宽壁垂直。
带宽
匹配偏斜缝隙天线阵能在较宽的频带内与 波导有较好的匹配，带宽主要受增益改变的 限制，通常是5%~10%。其缺点是调配元件 使波导功率容量降低。 方向图
矩形波导缝隙天线阵的方向图可用方向图乘积定理求出，单元天线的方向图 即为与半波缝隙互补的半波对称振子的方向图，阵因子决定于缝隙的间距以 及各缝隙的相对激励强度和相位差。
方向系数
工程上波导缝隙天线阵的方向系数可用下式估算：
D 3.2 N
式中N为阵元缝隙个数。
波导缝隙阵列应用 波导缝隙阵列由于其低损耗、高辐射效率 和性能稳定等一系列突出优点而得到广泛应 用。
I
m
E dl E dl
ll
对于x>0的半空间内，其等效磁流强度为
I 2Em sin[k (l z )]
m
根据电磁场的对偶原理，磁对称 振子的辐射场可以直接由电对称振子的 辐射场对偶得出为 Em cos(kl cos ) cos(kl ) jkr m E j e e r sin Em cos(kl cos ) cos( kl ) jkr m H j e e r sin
Pr ,e 2 I m Rr ,e
推导出理想缝隙天线的辐射电阻与其互补的电对称振子
的辐射电阻之间关系式：
Rr,m Rr ,e (60 )
Rr ,m
2
因此，理想半波缝隙天线的辐射电阻为
(60 )2 500 73.1
Gr,m≈0.002S
理想半波缝隙天线的辐射电导
理想缝隙天线
输入电阻
2l
y
E( z) Em sin[k (l z ]ey
在x>0的半空间内，缝隙相当于一个等效磁流源，其等效磁 流密度为
J m n E
x0
Em sin[k (l z )]ez
缝隙最终可以被等效成一个片状的、 沿z轴放置的、与缝隙等长的磁对称振子。
讨论远区的辐射问题时，可将缝隙视为线状磁对称振子，根 据与全电流定律对偶的全磁流定律
(c)
(d )
非谐振式缝隙阵（Nonresonant Slot Arrays） 在谐振式缝隙阵的结构中，如果将波 导末端改为吸收负载，让波导载行波， 并且间距不等于 λg/2 ，就可以构成非谐 振式缝隙阵。 显然，非谐振缝隙天线各单元不再同 相。
根据均匀直线阵的分析，非谐振缝隙天 线阵的最大辐射方向偏离阵法线的角度为
目受到限制，增益较低，因此实际中较少采用。
g g / 2
g
(a ) 活塞
纵向谐振缝隙阵二
图中对应的螺钉需要交替地分布在中心线两侧。
g / 2
g / 2
(c)
/2 纵向谐振缝隙阵三
g
对于开在窄壁上的斜缝，相邻斜缝之间的距离为λg/2，斜缝通过切入宽壁的深度 来增加缝隙的总长度，并且依靠倾斜角的正负来获得附加的 π相差，以补偿横向 g / 2 电流λg/2所对应的π相差而得到各缝隙的同相激励。