天线原理与设计第六章缝隙天线和波导缝隙天线阵 ppt课件
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缝隙天线
–如要使理想缝隙天线与其互补的电对称振子的辐射功率相 等，由两者的电场表达式可知，Um和电对称振子的波腹电 流应满足：
10
–由电对称振子辐射功率与辐射电阻的关系：
–使两辐射功率相等，可得两互补天线的辐射电阻有如下关 系：
–因此，理想半波缝隙天线的辐射电阻为：
–与之对应的辐射电导：
11
•辐射阻抗和输入阻抗： –可由上两互补天线的辐射电阻公式，直接推广到辐射阻抗 和输入阻抗（不是纯电阻）。
13
•辐射缝隙与非辐射缝隙 –辐射缝隙：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，缝隙得到激励，波 导内传输功率通过缝隙向外辐射。
–非辐射缝隙：当缝隙与电流线平行时，不能在缝隙区内建 立激励电场，不能产生激励而得到辐射。
•部分激励辐射
–如图，缝隙g与纵向电流平行，
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：
•式中Em为缝隙中波腹处的场强值。
3
一般：缝隙的宽度w远小于波电场激励的）方式如何, 缝隙中的场总垂直于缝的长边, 如图（a）所示。 因此理想缝隙天线可等效为由磁流源激励的对称缝隙，如图 （b）所示。 与之相对偶的是尺寸相同的板状对称振子，如图（c）所示。
12
二.实际缝隙天线 （有限尺寸金属平面缝隙辐射）
•最基本的缝隙天线：开在矩形波导壁上的半波谐振缝隙。
•TE01波内壁电流
–在矩形波导宽壁上：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；
•纵向分量沿宽边呈正弦分布，
中心处最大。
–波导窄边上只有横向电流，
且沿窄边均匀分布。
5
上述等效过程是基于对偶性原理：
10
–由电对称振子辐射功率与辐射电阻的关系：
–使两辐射功率相等，可得两互补天线的辐射电阻有如下关 系：
–因此，理想半波缝隙天线的辐射电阻为：
–与之对应的辐射电导：
11
•辐射阻抗和输入阻抗： –可由上两互补天线的辐射电阻公式，直接推广到辐射阻抗 和输入阻抗（不是纯电阻）。
13
•辐射缝隙与非辐射缝隙 –辐射缝隙：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，缝隙得到激励，波 导内传输功率通过缝隙向外辐射。
–非辐射缝隙：当缝隙与电流线平行时，不能在缝隙区内建 立激励电场，不能产生激励而得到辐射。
•部分激励辐射
–如图，缝隙g与纵向电流平行，
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：
•式中Em为缝隙中波腹处的场强值。
3
一般：缝隙的宽度w远小于波电场激励的）方式如何, 缝隙中的场总垂直于缝的长边, 如图（a）所示。 因此理想缝隙天线可等效为由磁流源激励的对称缝隙，如图 （b）所示。 与之相对偶的是尺寸相同的板状对称振子，如图（c）所示。
12
二.实际缝隙天线 （有限尺寸金属平面缝隙辐射）
•最基本的缝隙天线：开在矩形波导壁上的半波谐振缝隙。
•TE01波内壁电流
–在矩形波导宽壁上：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；
•纵向分量沿宽边呈正弦分布，
中心处最大。
–波导窄边上只有横向电流，
且沿窄边均匀分布。
5
上述等效过程是基于对偶性原理：
天线简介ppt课件
方位即水平面方向图
- 3dB点
60°(eg)
峰值
- 3dB点
Peak - 3dB
15°(eg)
Peak
Peak - 3dB
俯仰面即垂直面方向图
10dB 波束宽度
- 10dB点
120°(eg)
峰值
32°(eg)
- 10dB点 Peak - 10dB
Peak
Peak - 10dB
23
5.上旁瓣抑制
上旁瓣抑制
53
多径传播与反射
54
３. 电波的绕射传播
电波在传播途径上遇到障碍物时，总是力图绕 过障碍物，再向前传播。这种现象叫做电波的绕 射。超短波的绕射能力较弱，在高大建筑物后面 会形成所谓的“阴影区”。信号质量受到影响的 程度不仅和接收天线距建筑物的距离及建筑物的 高度有关，还和频率有关。
55
4、移动通信信道的特点 易衰减 易受干扰，干扰强。 不稳定
终端负载阻抗和特性阻抗越接近，反射系数越小，驻波系数越接近于１，匹配也就 越好。
40
驻波比、反射损耗和反射系数
41
电压驻波比（VSWR）对网络的影响：
VSWR 反射功率比 辐射功率减少 减少百分比
3.0
25%
2.15dB
40%
2.0
11%
0.86dB
18%
1.8
8%
0.67dB
14%
1.5
4%
0.36dB
21
3. 前后比
对天线的前后比F / B 有要求时，其典型值为（18 ~ 30）dB， 特殊情况下则要求达（35 ~ 40）dB .
后向功率
前向功率
以dB表示的前后比
天线原理与设计—第六章缝隙天线和波导缝隙天线阵
6.1 波导缝隙天线阵
非谐振式波导缝隙天线阵
相邻缝隙间距大于二分之波导波长，小于一个波导波长，
所有缝隙间具有线性相差，阵列最大辐射方向偏离法向 方向，且随频率变化
馈电波导内场近似为行波分布，可在较宽的频带上保持
良好的匹配
终端接匹配负载，通常吸收3% - 10%的输入功率
6.1 波导缝隙天线阵
向辐射缝隙天线的两倍，约为1000Ω
缝隙天线
波导馈电的缝隙天线
6.1 缝隙天线
共形缝隙天线
6.1 波导缝隙天线阵
通常在传输TE10波的矩形波导壁上开缝来构造各种缝隙
天线
缝隙必须截断波导壁上的表面电流 为获得强辐射，缝隙应位于电流密度大的位置
（a）横缝 （b）宽边纵缝 （c）斜缝 （d）窄边纵缝
配迅速恶化，因此此类天线的带宽通常较窄（<10%）
6.1 波导缝隙天线阵
谐振式波导缝隙天线阵的辐射方向图
6.1 波导缝隙天线阵
宽边纵向缝隙阵的设计 相邻缝隙间距均为二分之波导波长，因此馈电端的输入
电导为N个缝隙电导之和
为保证输入端匹配，gin =1；如不计互耦，则 gi=Kai2
ai为缝隙i的相对激励振幅，K为常数。先求出K，之后确 定gi。利用gi与缝隙偏移量x间关系，确定缝隙位置。
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。
天线基本原理及常用天线介绍ppt课件
.
3、天线的工作频率范围(带宽)
无论是发射天线还是接收天线，它们总是在一定的 频率范围内工作的，通常，工作在中心频率时天线所能 输送的功率最大，偏离中心频率时它所输送的功率都将 减小，据此可定义天线的频率带宽。
有几种不同的定义： 一种是指天线增益下降三分贝时的频带宽度； 一种是指在规定的驻波比下天线的工作频带宽度。
.
806~960MHz的超宽频天线
现在的一副天线相当于原来的三副天线， 并且具备电调功能，既提高. 了产品性能，又在很大程度上降低了天线的生产成本
3G（1710～2170MHz）频段的超宽频天线
现在的一副天线相当于原来的三副天线， 并且具备电调功能，既提高了. 产品性能，又在很大程度上降低了天线的生产成本
峰值 - 3dB点
Peak - 3dB
10dB 波束宽度 - 10dB点
120° (eg)
峰值
- 10dB点
Peak - 10dB
15° (eg)
Peak
32° (eg)
Peak
Peak - 3dB
俯仰面即. 垂直面方向图
Peak - 10dB
方向图旁瓣显示
上旁瓣抑制 下旁瓣抑制
.
8、方向图在移动组网中的应用
方向图可用来说明天线在空间各个方向上所具有的 发射或接收电磁波的能力。
.
天线的主要技术指标
天线匹配指标
驻波比 隔离度
天线辐射特性指标
与国际接轨的 天性辐射特性
增益
主瓣波束宽度
第一副瓣抑制
前后比
交叉极化比
轴向 ±30
波束效率
3dB 10dB
杂散因子
3dB 10dB
.
≤1.4
3、天线的工作频率范围(带宽)
无论是发射天线还是接收天线，它们总是在一定的 频率范围内工作的，通常，工作在中心频率时天线所能 输送的功率最大，偏离中心频率时它所输送的功率都将 减小，据此可定义天线的频率带宽。
有几种不同的定义： 一种是指天线增益下降三分贝时的频带宽度； 一种是指在规定的驻波比下天线的工作频带宽度。
.
806~960MHz的超宽频天线
现在的一副天线相当于原来的三副天线， 并且具备电调功能，既提高. 了产品性能，又在很大程度上降低了天线的生产成本
3G（1710～2170MHz）频段的超宽频天线
现在的一副天线相当于原来的三副天线， 并且具备电调功能，既提高了. 产品性能，又在很大程度上降低了天线的生产成本
峰值 - 3dB点
Peak - 3dB
10dB 波束宽度 - 10dB点
120° (eg)
峰值
- 10dB点
Peak - 10dB
15° (eg)
Peak
32° (eg)
Peak
Peak - 3dB
俯仰面即. 垂直面方向图
Peak - 10dB
方向图旁瓣显示
上旁瓣抑制 下旁瓣抑制
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8、方向图在移动组网中的应用
方向图可用来说明天线在空间各个方向上所具有的 发射或接收电磁波的能力。
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天线的主要技术指标
天线匹配指标
驻波比 隔离度
天线辐射特性指标
与国际接轨的 天性辐射特性
增益
主瓣波束宽度
第一副瓣抑制
前后比
交叉极化比
轴向 ±30
波束效率
3dB 10dB
杂散因子
3dB 10dB
.
≤1.4
天线PPT课件(完整版)
近区场的性质：由于电场和磁场相差90度，故坡印 廷矢量的平均值等于零，这说明无电磁场能量辐射， 称为感应场。
远区场：当 kr 1 时称为远场区，电磁场主要由 kr 的低次幂项决定，故可略去 kr 的高次幂项，得
Er E
E
j
H
k I0l
4
r H e jkr
s r
0
E jA
2 A k 2 A
J
A
j
J
A
j
洛伦兹条件：
A j
1
A
j
2 A k 2 A J
E jA jA j
in
H
j
k I0l
4
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s in
kr 1
波阻抗：
Zw
E H
固有阻抗：
120 377
§1.2 电基本振子
远区场的性质：
（1）电场与磁场在空间相互垂直，它们均与r 成反 比。因等相位面为球面，故为球面电磁波。
（2）因在传播方向上电磁场的分量为零，故为横电 磁波，记为TEM波。
天线发展简史
二、1901, 马可尼（Guglielmo Marconi, 1874-1937，1909 年 诺贝尔物理学奖）
1901年马可尼成功实现横穿大西洋（英国—加拿大） 的无线电通信。位于英国（Poldhu, England）的发射天线 由50根斜拉导线组成，用悬于60米高的木塔间的钢索支撑。 位于加拿大（Newfoundland, Canada）的接收天线是200米 长的导线，由风筝牵引。
远区场：当 kr 1 时称为远场区，电磁场主要由 kr 的低次幂项决定，故可略去 kr 的高次幂项，得
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波阻抗：
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固有阻抗：
120 377
§1.2 电基本振子
远区场的性质：
（1）电场与磁场在空间相互垂直，它们均与r 成反 比。因等相位面为球面，故为球面电磁波。
（2）因在传播方向上电磁场的分量为零，故为横电 磁波，记为TEM波。
天线发展简史
二、1901, 马可尼（Guglielmo Marconi, 1874-1937，1909 年 诺贝尔物理学奖）
1901年马可尼成功实现横穿大西洋（英国—加拿大） 的无线电通信。位于英国（Poldhu, England）的发射天线 由50根斜拉导线组成，用悬于60米高的木塔间的钢索支撑。 位于加拿大（Newfoundland, Canada）的接收天线是200米 长的导线，由风筝牵引。
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。
第六章缝隙天线与微带天线精品PPT课件
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 使波方导向图功率容量降低。
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
Jm 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
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 天线阵。
/2
x1
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
天线PPT课件(完整版)
10
电磁频谱与无线电频段
天线概念
天线是无线系统的重要部件，它是现代信息社会的电子眼、 电子耳。 定义 — 用来辐射或接收无线电波的装置，导行波与自由空 间波互相转换区域的结构，转换器件或换能器 — 能量转换。 电路的观点 — 从传输线看向天线这一段等效于一个电阻 Rr ， 是从空间耦合到天线终端的电阻，与天线结构自身的任何电阻 无关。
7
天线发展简史
三、1980, 超大阵列（VLA）抛物面天线（Very Large Array Steerable Parabolic Dish Antennas） 位于美国新墨西哥州（Socorro, New Mexico）的超大阵 列天线由27面直径为25米的抛物面按Y型方式排列组成，是 世界第一个射电天文望远镜。其分辨率相当于36千米跨度的 天线，而灵敏度相当于直径为130米的碟型天线。
1 H A
A
因此，知道
A
1 E jA jA j A
§1.1 辅助函数法
A 4 e jkR J x, y , z dv －体电流 R v e jkR J s x, y , z ds －面电流 R s e jkR I e x, y, z dl R c
天线发展简史
五、2000, 移动/手持天线（Mobile/Hand - held Antenna） 工作于800MHz的手持蜂窝电话天线随处可见。 从马可尼时代直到20世纪40年代，天线主要是以 导线为辐射单元，工作频率也提高到UHF。 进入二战期间，随着1GHz以上微波源（如调速 管、磁控管）的发明，天线开始了一个新的纪元。 波导口径天线、喇叭天线和反射面天线等如雨后春 笋般出现。
波导缝隙阵天线
波导缝隙阵
1、 设计背景 缝隙天线是由金属面上的缝隙构成的天线。波导缝隙阵天线具有口面场分布容易控制、 天线口径效率高、 性能稳定结构简单紧凑、 强度高、 安装方便等特点， 而且容易实现窄波束、 低副瓣乃至超低副瓣。 最近十几年，随着对雷达抗干扰要求的提高，脉冲多普勒雷达的发展，矩形波导缝隙 阵天线在这些需要窄波束或赋性波束的微波通信和雷达系统中获得了广泛应用。 特别是它具 有体积小、重量轻、口径效率高、宽角副瓣低等特点，在机载雷达上为优选形式。 波导上的缝隙随着其切割位置的不同构成了不同形式的缝隙。经常使用的缝隙有开在 波导窄边的倾斜缝隙， 开在波导宽边的纵向缝隙、 横向缝隙以及开在波导宽边中心线上到倾 斜缝隙，它们既可以是谐振式的，也可以使非谐振式的。由于这些缝隙均切割表面电流，因 而将向外部空间辐射能量，对这些缝隙的个数、位置、尺寸、排列进行精心选择，就能产生 各种实用的天线方向图。 2、 设计原理 这里考虑宽边纵向谐振式驻波阵列，每个缝隙相距 0 . 5 g ，距离波导宽边中心有一定偏 移。宽边上纵向并联缝隙的电导为
2 x g g1 s i n a
（1）
2 g
2 . 09 a g g1 b
cos
2
（2）
式中，x 为待求的偏移；a 为波导内壁宽边长度； g 为波导波长。在具体的设计中可以利用 HFSS 的优化功能确定缝隙的谐振长度 （图 1） 。 首先确定在谐振缝隙设计中存在的几个变量， 主要有：缝隙偏移波导中心线的距离 Offset，缝隙长度 L，缝隙的宽度 W 等。一般可根据实 际的加工确定出 W 缝隙的宽度，应用 HFSS 的优化功能得出 Offset 和 Length。在波端口的 Y 矩阵参数可以等效于距检测端口的二分之一个波导波长的缝隙中心的 Y 矩阵参数，根据 波导缝隙的基本设计理论，在谐振时缝隙的等效阻抗或导纳为实数。因此当缝隙谐振时有 Im（Y）=0。
1、 设计背景 缝隙天线是由金属面上的缝隙构成的天线。波导缝隙阵天线具有口面场分布容易控制、 天线口径效率高、 性能稳定结构简单紧凑、 强度高、 安装方便等特点， 而且容易实现窄波束、 低副瓣乃至超低副瓣。 最近十几年，随着对雷达抗干扰要求的提高，脉冲多普勒雷达的发展，矩形波导缝隙 阵天线在这些需要窄波束或赋性波束的微波通信和雷达系统中获得了广泛应用。 特别是它具 有体积小、重量轻、口径效率高、宽角副瓣低等特点，在机载雷达上为优选形式。 波导上的缝隙随着其切割位置的不同构成了不同形式的缝隙。经常使用的缝隙有开在 波导窄边的倾斜缝隙， 开在波导宽边的纵向缝隙、 横向缝隙以及开在波导宽边中心线上到倾 斜缝隙，它们既可以是谐振式的，也可以使非谐振式的。由于这些缝隙均切割表面电流，因 而将向外部空间辐射能量，对这些缝隙的个数、位置、尺寸、排列进行精心选择，就能产生 各种实用的天线方向图。 2、 设计原理 这里考虑宽边纵向谐振式驻波阵列，每个缝隙相距 0 . 5 g ，距离波导宽边中心有一定偏 移。宽边上纵向并联缝隙的电导为
2 x g g1 s i n a
（1）
2 g
2 . 09 a g g1 b
cos
2
（2）
式中，x 为待求的偏移；a 为波导内壁宽边长度； g 为波导波长。在具体的设计中可以利用 HFSS 的优化功能确定缝隙的谐振长度 （图 1） 。 首先确定在谐振缝隙设计中存在的几个变量， 主要有：缝隙偏移波导中心线的距离 Offset，缝隙长度 L，缝隙的宽度 W 等。一般可根据实 际的加工确定出 W 缝隙的宽度，应用 HFSS 的优化功能得出 Offset 和 Length。在波端口的 Y 矩阵参数可以等效于距检测端口的二分之一个波导波长的缝隙中心的 Y 矩阵参数，根据 波导缝隙的基本设计理论，在谐振时缝隙的等效阻抗或导纳为实数。因此当缝隙谐振时有 Im（Y）=0。
波导裂缝天线
波导裂缝天线分类号密级U D C 单位代码10151基于时域有限差分法的缝隙天线分析与设计谭晓明房少军职称教授指导教师申请学位级别硕士学科与专业通信与信息系统论文完成日期2008.1 论文答辩日期2008.3.26学位授予单位大连海事大学答辩委员会主席The Analysis and Design of Slot Antenna Based on Finite-Difference Time-Domain MethodDissertation Submitted toDalian Maritime UniversityIn partial fulfillment of the requirements for the degree ofMaster of EngineeringByTan XiaoMing(Communication and Information System)January, 2008大连海事大学学位论文原创性声明和使用授权说明原创性声明本人郑重声明：本论文是在导师的指导下,独立进行研究工作所取得的成果，撰写成硕士学位论文“基于时域有限差分法的缝隙天线分析与设计”。
除论文中已经注明引用的内容外，对论文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明.本论文中不包含任何未加明确注明的其他个人或集体已经公开发表或未公开发表的成果。
本声明的法律责任由本人承担。
论文作者签名：年月日学位论文版权使用授权书本学位论文作者及指导教师完全了解“大连海事大学研究生学位论文提交、版权使用管理办法”，同意大连海事大学保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。
本人授权大连海事大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论文。
保密□，在年解密后适用本授权书。
本学位论文属于：保密□不保密□（请在以上方框内打“√”）论文作者签名：导师签名：日期：年月日中文摘要摘要时域有限差分法（FDTD）作为一种电磁场数值计算方法以其简单、直观等特点近年来备受业界关注和厚爱。
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：
天线原理与设计讲义.ppt
简言之：天线的功能主要有两点： (1)能量转换 (2)定向辐射或接收 无线电通讯线路中的辐射和接收天线示意：
发射系统等效电路：
天线等效电路中最主要的一个参数——辐射电阻Rr。 可以认为天线辐射的电磁波能量全部由Rr吸收。
发射天线空间辐射方向图。
●典型的空间三维方向图
●典型的二维方向图
各种各样的方向图是由各种各样的天线实现的。
■ IE3D软件 ■ FIDELITY软件
(2)在天线技术应用方面
卫星通信技术发展推动了卫星天线和大型地面站天 线的发展，出现了大型平面阵、卡塞格仑天线及各种反 射面天线馈源。
雷达制导、搜索、跟踪、预警技术的应用推动了单 脉冲雷达天线、相控阵天线，多波束天线的发展。
半导体技术的发展使无线电技术向毫米波、亚毫米 波甚至更高频率发展，对天线提出了小型化、集成化、 宽带化等一系列要求，出现了有源天线、微带天线和印 刷天线、印制板开槽天线、表面波天线、共形阵列天线 等。
另外，还有八木天线，对数周期天线、阵列天线。阵 列天线又有直线阵天线、平面阵天线、附在某些载体表 面的共形阵列天线等。
为便于分析和研究天线性能出发，天线可以分为如下 几大类：
(1) 线天线(Wire Antennas) ——(1～6)章
(2) 口径天线(Aperture Antennas) ——(8～10章)
(1)在天线理论方法方面
■几何绕射理论 ■平面波谱展开法 ■时域有限差分法 ■天线近场测量理论
■矩量法 ■有限元法 ■时域积分方程法 ■阵列分析与综合理论
这些理论方法为天线的工程设计奠定了坚实的基础，
随着计算机技术的发展大都形成了计算机仿真的电子自 动化设计软件。
■ HFSS软件 ■ CST软件 ■ FEKO软件
天线PPT课件(完整版)
近区场：当 kr 1 时称为近区，电磁场主要由 kr 的 高次幂项决定，故可略去 kr 的低次幂项，得
§1.2 电基本振子
I 0l e jkr Er j cos 3 2k r jkr Il e E j 0 sin 4k r 3 jkr I 0l e H sin 2 4 r
2 A k A J
2
A 4 A 4
－线电流
远场辐射，忽略高阶项
1 n 2,3,4, rn
jkr e ˆA , ˆA , ˆAr , A r , r
r
1 ˆA , ˆA , 1 E je jkr 2 r r
I 0l e jkr Ar Az cos cos 4 r I 0l e jkr A Az sin sin 4 r
A 0
1 1 Ar ˆ rA 对于磁场： H r r
H r H 0
E jH j A
E jA 0 0
2 J jE A A
§1.1 辅助函数法
2 J jE A A E jA
1 H A
A
因此，知道
A
1 E jA jA j A
§1.1 辅助函数法
A 4 e jkR J x, y , z dv －体电流 R v e jkR J s x, y , z ds －面电流 R s e jkR I e x, y, z dl R c
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非谐振式波导缝隙天线阵的辐射方向图
6.1 波导缝隙天线阵
波导缝隙天线阵的应用 雷达、卫星通信、轨道交通等
6.1 缝隙天线
6.1 缝隙天线
Love场等效原理
令等效问题v1中的场为零场，则S面上的等效面流为
♣情况1：设v1中媒质分布与v2中相同，则等效问题 就是自由空间中源辐射问题。 ♣情况2：设v1中填充理想导体。因为理想导体表面 的面电流不产生电磁场，所以 ，这种情况下S面上起 作用的只有面磁流。 ♣情况3：设v1中填充理想磁体。这时面磁流不产生 场，起作用的只有面电流 。
六、缝隙天线和波导缝隙天线阵
缝隙天线结构
6.1 缝隙天线
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
6.1 波导缝隙天线阵
谐振式波导缝隙天线阵 相邻缝隙间距为二分之波导波长，所有缝隙为同相激励，
阵列具有边射辐射特性
相邻宽边纵缝位于波导中线两侧，相邻窄边横缝斜向相
反，从而保证同相激励
工作频率改变时，各缝隙的激励相位不再同相，天线匹
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。
Zicn
2
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
Zisn
60 2
73.1
486
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 具有相同长为纯电阻。
6.1 缝隙天线
实际（有限大平面上）缝隙天线辐射场
向辐射缝隙天线的两倍，约为1000Ω
波导馈电的缝隙天线
缝隙天线
共形缝隙天线
6.1 缝隙天线
6.1 波导缝隙天线阵
通常在传输TE10波的矩形波导壁上开缝来构造各种缝隙
天线
缝隙必须截断波导壁上的表面电流 为获得强辐射，缝隙应位于电流密度大的位置
（a）横缝 （b）宽边纵缝 （c）斜缝 （d）窄边纵缝
6.1 波导缝隙天线阵
非谐振式波导缝隙天线阵
相邻缝隙间距大于二分之波导波长，小于一个波导波长，
所有缝隙间具有线性相差，阵列最大辐射方向偏离法向 方向，且随频率变化
馈电波导内场近似为行波分布，可在较宽的频带上保持
良好的匹配
终端接匹配负载，通常吸收3% - 10%的输入功率
6.1 波导缝隙天线阵
实际缝隙天线的辐射场受到有限大平板边缘的影响与理想 缝隙有所不同，有限大平板边缘对H面（经过缝隙轴的平面） 的影响不大，但对E面（与缝隙垂直的平面）场的影响较大。
精确求解缝隙天线的辐射 场要用矩量法先求得板上电 流再求远场，或用矩量法配 合几何绕射理论来求解。 当板的边缘距缝隙口面尺寸 大于一个波长时，边缘对输 入阻抗的影响不大。
缝隙天线的原理
6.1 缝隙天线
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：
Z
s in
6.1 缝隙天线
缝隙天线馈电（同轴线馈电）
不同的馈电位置具
有不同的输入阻抗
中心馈电的缝隙天
线的输入阻抗约为 500Ω
为实现与50 Ω同轴
线的匹配，可采用 偏馈方法
6.1 缝隙天线
单向辐射的缝隙天线 实际应用中，常采用增加背腔的方式实
现具有单向辐射的缝隙天线
背腔深度约为四分之波长 中心馈电的背腔缝隙天线输入阻抗为双
配迅速恶化，因此此类天线的带宽通常较窄（<10%）
6.1 波导缝隙天线阵 谐振式波导缝隙天线阵的辐射方向图
6.1 波导缝隙天线阵
宽边纵向缝隙阵的设计 相邻缝隙间距均为二分之波导波长，因此馈电端的输入
电导为N个缝隙电导之和
为保证输入端匹配，gin =1；如不计互耦，则 gi=Kai2 ai为缝隙i的相对激励振幅，K为常数。先求出K，之后确 定gi。利用gi与缝隙偏移量x间关系，确定缝隙位置。
6.1 波导缝隙天线阵
波导缝隙天线阵的应用 雷达、卫星通信、轨道交通等
6.1 缝隙天线
6.1 缝隙天线
Love场等效原理
令等效问题v1中的场为零场，则S面上的等效面流为
♣情况1：设v1中媒质分布与v2中相同，则等效问题 就是自由空间中源辐射问题。 ♣情况2：设v1中填充理想导体。因为理想导体表面 的面电流不产生电磁场，所以 ，这种情况下S面上起 作用的只有面磁流。 ♣情况3：设v1中填充理想磁体。这时面磁流不产生 场，起作用的只有面电流 。
六、缝隙天线和波导缝隙天线阵
缝隙天线结构
6.1 缝隙天线
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
6.1 波导缝隙天线阵
谐振式波导缝隙天线阵 相邻缝隙间距为二分之波导波长，所有缝隙为同相激励，
阵列具有边射辐射特性
相邻宽边纵缝位于波导中线两侧，相邻窄边横缝斜向相
反，从而保证同相激励
工作频率改变时，各缝隙的激励相位不再同相，天线匹
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。
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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
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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 具有相同长为纯电阻。
6.1 缝隙天线
实际（有限大平面上）缝隙天线辐射场
向辐射缝隙天线的两倍，约为1000Ω
波导馈电的缝隙天线
缝隙天线
共形缝隙天线
6.1 缝隙天线
6.1 波导缝隙天线阵
通常在传输TE10波的矩形波导壁上开缝来构造各种缝隙
天线
缝隙必须截断波导壁上的表面电流 为获得强辐射，缝隙应位于电流密度大的位置
（a）横缝 （b）宽边纵缝 （c）斜缝 （d）窄边纵缝
6.1 波导缝隙天线阵
非谐振式波导缝隙天线阵
相邻缝隙间距大于二分之波导波长，小于一个波导波长，
所有缝隙间具有线性相差，阵列最大辐射方向偏离法向 方向，且随频率变化
馈电波导内场近似为行波分布，可在较宽的频带上保持
良好的匹配
终端接匹配负载，通常吸收3% - 10%的输入功率
6.1 波导缝隙天线阵
实际缝隙天线的辐射场受到有限大平板边缘的影响与理想 缝隙有所不同，有限大平板边缘对H面（经过缝隙轴的平面） 的影响不大，但对E面（与缝隙垂直的平面）场的影响较大。
精确求解缝隙天线的辐射 场要用矩量法先求得板上电 流再求远场，或用矩量法配 合几何绕射理论来求解。 当板的边缘距缝隙口面尺寸 大于一个波长时，边缘对输 入阻抗的影响不大。
缝隙天线的原理
6.1 缝隙天线
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：
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6.1 缝隙天线
缝隙天线馈电（同轴线馈电）
不同的馈电位置具
有不同的输入阻抗
中心馈电的缝隙天
线的输入阻抗约为 500Ω
为实现与50 Ω同轴
线的匹配，可采用 偏馈方法
6.1 缝隙天线
单向辐射的缝隙天线 实际应用中，常采用增加背腔的方式实
现具有单向辐射的缝隙天线
背腔深度约为四分之波长 中心馈电的背腔缝隙天线输入阻抗为双
配迅速恶化，因此此类天线的带宽通常较窄（<10%）
6.1 波导缝隙天线阵 谐振式波导缝隙天线阵的辐射方向图
6.1 波导缝隙天线阵
宽边纵向缝隙阵的设计 相邻缝隙间距均为二分之波导波长，因此馈电端的输入
电导为N个缝隙电导之和
为保证输入端匹配，gin =1；如不计互耦，则 gi=Kai2 ai为缝隙i的相对激励振幅，K为常数。先求出K，之后确 定gi。利用gi与缝隙偏移量x间关系，确定缝隙位置。