北大天线理论课件：第六章 微带天线
讲课内容
微带天线微带天线是近30年来逐渐发展起来的一类新型天线。
早在1953年就提出了微带天线的概念，但并未引起工程界的重视。
在50年代和60年代只有一些零星的研究，真正的发展和使用是在70年代。
常用的一类微带天线是在一个薄介质基(如聚四氟乙烯玻璃纤维压层)上，一面附上金属薄层作为接地板，另一面用光刻腐蚀等方法作出一定形状的金属贴片，利用微带线和轴线探针对贴片馈电，这就构成了微带天线。
微带天线由很薄的金属带(贴片)以远小于波长的间隔置于一接地面上而成,微带贴片这样设计是为了在贴片的侧射方向有最大的辐射，这可以通过选择不同的贴片形状激励方式来实现。
选择不同的贴片组形状还可以实现端射辐射。
微带贴片与接地面之间有一介质薄片(称为基片)隔开。
器件尺寸/工作波长即电尺寸。
该值较大叫电大尺寸；反之，电小尺寸。
比如通常的低频率信号在一个网路中工作的时候，由于其波长很大，所以在器件尺寸范围内的电信号（电压或者电流）的振幅以及相位几乎保持不变，这是因为在一个波长范围内波的相位才变化2π，但是器件尺寸很小，固相位变化远小于2π；相反，如果工作于微波频段（0.3Ghz-300GHz），那么由于其频率很高,波长很短，故器件尺寸有可能是波长好几倍甚至上百倍，试想一下，如此的话，那么在器件尺寸内的话，器件上的相位变化就可能变化好上百π了，如此器件电信号相位就变化很大。
天线的尺寸等于或等于波长的倍数是，接受效率最高。
一段金属导线中的交变电流能够向空间发射交替变化的感应电场和感应磁场，这就是无线电信号的发射。
相反，空间中交变的电磁场在遇到金属导线时又可以感应出交变的电流，这对应了无线信号的接收。
在电台进行发射和接收时都希望导线中的交变电流能够有效的转换成为空间中的电磁波，或空间中的电磁波能够最有效的转换成导线中的交变电流。
这就对用于发射和接收的导线有获取最佳转换效率的要求，满足这样要求的用与发射和接收无线电磁波信号的导线称为天线。
理论和实践证明，当天线的长度为无线电信号波长的1/4时，天线的发射和接收转换效率最高。
微带天线课件.76页PPT
16、业余生活要有意义，不要越轨。——华盛顿 17、一个人即使已登上顶峰，也仍要自强不息。——罗素·贝克 18、最大的挑战和突破在于用人，而用人最大的突破在于信任人。——马云 19、自己活着，就是为了使别人过得更美好。——雷锋 20、要掌握书，莫被书掌握；要为生而读，莫为读而生。——布尔沃
微带天线课件.
36、“不可能”这个字(法语是一个字 )，只 在愚人 的字典 中找得 到。--拿 破仑。 37、不要生气要争气，不要看破要突 破，不 要嫉妒 要欣赏 ，不要 托延要 积极， 不要心 动要行 动。 38、勤奋，机会，乐观是成功的三要 素。(注 意：传 统观念 认为勤 奋和机 会是成 功的要 素，但 是经过 统计学 和成功 人士的 分析得 出，乐 观是成
微带天线PPT
尽管微带天线的研究思想可以追溯到1953年， 但是直到七十年代初期才被人们所重视。微带 天线是在微带电路出现后发展起来的一种新型 天线。从七十年代中期开始，从理论、技术到 应用对这种天线进行了大量的研究，至今势头 不减。微带天线主要用在微波、毫米波段。
微带天线的结构及微带电路
微带天线由一块厚度远 小于波长的介质板（称为 介质基片）和覆盖在它的 上、下两个面上的金属片 构成。其中，下面完全覆 盖介质板的金属片称为接 地板；上面的金属片如果 尺寸可以和波长相比拟， 则称为辐射元；如果上面 的金属是长窄带，就构成 了微带传输线
微带电路：是微波电路的一 种。它是一种微波信号的 传输线。类似于波导。只 是它做在印制电路板上的 带状电路。
微带天线的分类
微带贴片天线：导体贴片通常是规则形状 的面积单元 微带振子天线：它是一个窄长的条状薄片 振子 微带线型天线：它利用微带线的某种形变 来形成辐射 微带缝隙天线：它利用开在接地板上的缝 隙，由介质基片另一侧的微带线或其他馈 线对其馈电
微带天线的工作原理
微带天线的辐射机理实际上是高频的电磁泄漏。 一个微波电路如果不是被导体完全封闭，电路中 的不连续处就会产生电磁辐射。例如微带电路的 开路端， 结构尺寸的突变、折弯等不连续处也会 产生电磁辐射（泄漏）。当频率较低时， 这些部 分的电尺寸很小，因此电磁泄漏小；但随着频率 的增高，电尺寸增大，泄漏就大。再经过特殊设 计，即放大尺寸做成贴片状，并使其工作在谐振 状态。辐射就明显增强，辐射效率就大大提高， 而成为有效的天线。
间接馈电法：与贴片无直接接触， 主要是 电磁耦合法
馈电技术直接影响到天线的阻抗特性
微带天线的设计
微带天线的主要参数
北大天线理论课件：第六章 微带天线
第六章缝隙天线与微带天线§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。
For personal use only in study and research; not for commercial useFor personal use only in study and research; not for commercial use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 m z 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--=- ()ϑϑμεπωθsin cos cos cos klkl re E jH jkrm m-=- 在0<x 的半空间，电场和磁场的符号与上式相反。
微带天线的定义
微带天线的定义：在有金属接地板的介质基片上沉积或贴附所需形状金属条、片构成的微波天线。
它利用微带线或同轴线馈线馈电，在导体贴片与接地板之间激励器射频电磁场，并通过贴片四周与接地板间的缝隙向外辐射。
因此，微带天线也可以看作为一种缝隙天线。
通常介质基片的厚度与波长相比是很小的，因而它实现了一维小型化，属于电小天线的一类。
微带天线的结构：微带天线是由一块厚度远小于波长的介质板（称为介质基片）和（用印刷电路或微波集成技术）覆盖在它的两面上的金属片构成。
其中一片金属片完全覆盖介质板的一面，称为接地板，另一金属板的尺寸可以和波长相比拟，称为辐射元，辐射元的形状可以是方形、矩形、圆形、椭圆形等等。
微带天线的分类：（1）微带贴片天线导体贴片一般是规则形状的面积单元，如矩形、圆形或或圆形薄片等。
（2）微带振子天线天线同微带贴片天线相似，贴片是窄长条形的薄片振子（偶极子）。
（3）微带线型天线利用微带的某种形变（如弯曲、直角弯头等）来形成辐射。
（4）微带缝隙天线利用开在地板上的缝隙，由介质基片另一侧的微带线或其他馈线（如槽线）对其馈电。
微带天线的馈电技术对微带天线的激励方式主要分为两大类：直接馈电法和间接馈电法。
直接与贴片相接触的方法称之为直接馈电法，目前普遍采用的有同轴背馈法和微带线侧馈法。
与贴片无接触的激励方法就是间接馈电法，此类方法主要有：电磁耦合法，缝隙耦合法和共面波导馈电法等。
馈电技术直接影响到天线的阻抗特性，所以也是天线设计中的一个重要组成部分。
微带天线工作原理——辐射机理：贴片尺寸为a ×b,介质基片厚度为h 。
微带贴片可看作为宽a 长b 的一段微带传输线，其终端（a 边）处因为呈现开路，将形成电压波腹。
一般取b ≈m λ/2 ，m λ 为微带线上波长。
于是另一端（a 边）处也呈电压波腹。
电场可近似表达为（设沿贴片宽度和基片厚度方向电场无变化） E z =0E )b /(cos x π 天线的辐射由贴片四周与接地板间的窄缝形成。
微带天线工作原理
微带天线工作原理微带天线是一种广泛应用于通信系统中的天线结构，它具有结构简单、制作方便、性能可调和工作频段宽等优点，因此在无线通信系统中得到了广泛的应用。
微带天线的工作原理是基于微带线与辐射负载之间的耦合效应，通过合理设计微带线和辐射负载的结构参数，可以实现对天线的频率、阻抗和辐射特性的调节。
本文将从微带天线的基本结构、工作原理和特点等方面进行详细介绍。
1. 微带天线的基本结构。
微带天线的基本结构包括微带线、辐射负载和基底板三部分。
微带线是由金属导体和绝缘基底组成的，其长度和宽度决定了天线的工作频率和阻抗匹配特性。
辐射负载是用来辐射电磁波的部分，通常是一个金属片或贴片，其结构和尺寸对天线的辐射特性有重要影响。
基底板是支撑微带线和辐射负载的部分，通常采用介质常数较小的材料，如陶瓷基板或塑料基板。
2. 微带天线的工作原理。
微带天线的工作原理主要是基于微带线与辐射负载之间的耦合效应。
当微带线上有高频电流通过时，会在微带线和基底板之间产生电磁场，这个电磁场会通过辐射负载辐射出去，从而实现天线的辐射功能。
微带线的长度和宽度决定了天线的工作频率，而辐射负载的结构和尺寸则影响了天线的辐射特性。
通过合理设计微带线和辐射负载的结构参数，可以实现对天线的频率、阻抗和辐射特性的调节。
3. 微带天线的特点。
微带天线具有结构简单、制作方便、性能可调和工作频段宽等特点。
首先，微带天线的制作工艺相对简单，可以采用印制电路板工艺进行批量生产，成本较低。
其次，微带天线的结构参数可以通过调节微带线和辐射负载的尺寸来实现对天线的频率、阻抗和辐射特性的调节，具有较好的可调性。
最后，微带天线的工作频段较宽，可以满足不同频段的通信需求。
总结：微带天线是一种在无线通信系统中广泛应用的天线结构，其工作原理是基于微带线与辐射负载之间的耦合效应。
通过合理设计微带线和辐射负载的结构参数，可以实现对天线的频率、阻抗和辐射特性的调节。
微带天线具有结构简单、制作方便、性能可调和工作频段宽等特点，因此在无线通信系统中得到了广泛的应用。
微带天线课件.共76页文档
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26、要使整个人生都过得舒适、愉快，这是不可能的，因为人类必须具备一种能应付逆境的态度。——卢梭
▪
27、只有把抱怨环境的心情，化为上进的力量，才是成功的保证。——罗曼·罗兰
▪Байду номын сангаас
28、知之者不如好之者，好之者不如乐之者。——孔子
▪
29、勇猛、大胆和坚定的决心能够抵得上武器的精良。——达·芬奇
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30、意志是一个强壮的盲人，倚靠在明眼的跛子肩上。——叔本华
微带天线课件.
1、 舟 遥 遥 以 轻飏， 风飘飘 而吹衣 。 2、 秋 菊 有 佳 色，裛 露掇其 英。 3、 日 月 掷 人 去，有 志不获 骋。 4、 未 言 心 相 醉，不 再接杯 酒。 5、 黄 发 垂 髫 ，并怡 然自乐 。
▪
《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。
微带天线
微带天线1011020116 侯良伟目录目录 (2)1微带天线概述 (3)1-1微带天线的辐射机理 (4)1-2微带天线的馈电方法 (5)2.矩形微带天线及其分析方法 (6)2-1腔体模型理论 (7)2-2 传输线模型理论 (8)2-3 矩形微带天线的性能分析 (10)3.我对微带天线的看法 (12)4.参考文献 (13)1.微带天线概述对于阵列天线而言，可作为阵列天线阵元的单元天线有很多种如振子天线、环天线、缝隙天线、螺旋天线、背射天线等。
结合我们近年来实验室的科研项目和实验研究。
单元天线主要选取了微带天线、振子天线、背射天线作为天线阵元进行组阵研究。
重点的研究对象为微带天线。
因为微带天线固有的特点，它很适合进行天线组阵的研究。
在天线组阵中，目前己有本实验室研制的圆环背射天线的二元阵列投入工程应用，并有相应产品面世。
但主要的研究方向还是集中于微带天线的组阵方案，现对微带天线进行理论和实验的分析。
微带辐射器的概念首先是DeshcmaPs在1953年提出的。
但是过了二十年，当较好的理论模型及对敷铜或敷金的介质基片的光刻技术发展之后，实际的天线才制造出来。
这种基片介电常数范围较宽，具有吸热特性和机械特性及低损耗角正切。
最早的实际的微带天线是Howen和Munsno在二十世纪七十年代初期研制成的。
在此之后，由于微带天线的许多优点，诸如重量轻、体积小、成本低，平面结构可以和集成电路兼容等，微带天线得到了广泛的研究和发展，从而使微带天线获得了多种应用，并且在微波天线中作为一个分立领域获得了很大的发展。
目前，已研制成了各种类型平面结构的印制天线，例如，微带天线、带线缝隙天线、背腔印制天线以及印制偶极子天线。
而一般所指的微带天线，可分为三种基本类型:微带贴片天线、微带行波天线、微带缝隙天线。
它们的辐射机理是由微带贴片、或准TEM模传输线、或开在地板上的缝隙产生辐射。
同常规的微波天线相比，微带天线具有一些优点。
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 ⎠
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)
磁场：
kI0l sin 1 1 jkr H j 1 e 4 r jkr
§1.2 电基本振子
对于电场：
1 1 E jA j A H j
电场：
I 0l cos 1 1 jkr Er 1 e 2 2 r jkr kI 0l sin 1 1 1 jkr E j 1 e 2 4 r jkr kr E 0
2 A k A J A j J A j
2
洛伦兹条件：
A j
1 j
A
2 A k A J
2
1 E jA jA j A
kr 1
近区场辐射功率密度：
1 1 ˆE H ˆE H Wav Re E H Re r r 2 2
2 2 1 I 0l sin ˆ I 0l sin cos ˆj Wav Re r j 0 5 2 5 2 k 4 r k 8 r
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。
波阻抗：
kr 1
Zw E H
固有阻抗：
120 377
天线原理与设计—微带天线PPT教案
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9.1 微带天线
➢ 两侧边的垂
直电场分量
彼此反向，
故辐射相互
抵消。
➢ 辐射主要由
两端边的水
平电场分量
贡献。
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9.1 微带天线
单缝的辐射
➢ 单缝的等效磁流为
➢ 单缝的辐射场为
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9.1 微带天线
矩形微带天线的辐射场
➢ 以相距d=l的二元阵因子乘以单
缝的辐射场，便可以得到矩形
微带天线的辐射场：
➢ 由上式可得两个主平面的方向
函数：
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9.1 微带天线
➢ 取w=1cm，l=3.05cm，f=3.1GHz，
计算得到的方向图：
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9.1 微带天线
矩形微带天线的辐射功率
➢ 缝隙辐射功率为
➢ 定义缝隙两端间有一辐射电导
Gr，它所损耗的功率等于缝的
辐射功率：
天线原理与设计—微带天线
9.1 微带天线
➢ 微带辐射器的概念首先是Deschamps在1953
年提出来的。但是，直到二十年后因为加
工工艺的进步，实际的天线才制造出来。
➢ 最早的微带天线是Howell和Munson在二十
世纪70年代初期研制成的。
➢ 近20年来由于微波集成技术的发展和空间
技术对低剖面天线的迫切需求，促进了微
♣辐射区只限于半个平面。
与普通天线相比，微带天线的
♣有导体和介质损耗，并且激励表面波，导致辐
缺点：
射效率低。
♣功率容量较小。
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9.1 微带天线
不同的微带天线结构
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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：
微带天线课件
教师 王昊
电子工程与光电技术学院 南京理工大学
南京理工大学毫米波技术研究室
微带天线理论与应用
内容提要
1 微带天线基本理论 *#（8学时）
2 微带天线的元技术 （8学时） 3 有效利用商用软件进行微带天线的设计 *#（8学时）
4 微带阵列天线 #（8学时）
5微带天线近场测量与近场诊断 ★（6学时） 6 微带天线制造技术 （4学时）
南京理工大学毫米波技术研究室
微带天线理论与应用
微带线的特性
当频率较高时，微带宽度W和高度h与波长可相比拟时，微 带中可能出现波导型横向谐振模。最低模为TE10
微带中还存在着表面波，最低次TM型表面波的截止频率无 下限，而最低次TE型表面波的截止波长为 上述的波导模和表面波模称为微带的高次模。为抑制高次模 的出现。微带尺寸的选择需要满足以下的条件
南京理工大学毫米波技术研究室 微带天线理论与应用
微带天线的空腔模型
用磁流模型和用电流模型 进行分析方向图的差别。
南京理工大学毫米波技术研究室
微带天线理论与应用
微带天线的空腔模型-输入阻抗
南京理工大学毫米波技术研究室
微带天线理论与应用
微带天线的空腔模型-等效电路
南京理工大学毫米波技术研究室
微带天线理论与应用
微带天线的空腔模型-带宽、效率和方向系数
南京理工大学毫米波技术研究室
微带天线理论与应用
微带天线的设计过程
1、选择基片
南京理工大学毫米波技术研究室
微带天线理论与应用
微带天线的设计过程
2、初步估算微带天线的值
南京理工大学毫米波技术研究、确定馈电方式
需要同轴馈电还是微带馈电
微带天线的分析和宽频带设计
1、采可以增加天线的带宽。这是因为多层结 构可以提供更多的谐振腔体，从而产生更多的谐振频率点。此外，通过在各层之 间添加适当的阻抗变换器，可以进一步扩展带宽。
2、采用多频带工作
通过设计多个独立谐振频率的微带天线，可以实现多频带工作。例如，可以 采用多个贴片或多个地面结构来产生多个谐振频率。这种方法可以在不同频率范 围内获得良好的辐射特性，从而实现宽频带工作。
3、采用可调谐谐振器
通过采用可调谐的材料或结构，可以改变微带天线的谐振频率。例如，可以 采用压电材料或磁性材料来实现频率调谐。这种方法可以在不同频率范围内获得 良好的辐射特性，从而实现宽频带工作。
4、采用超材料技术
通过采用超材料技术，可以设计出具有特殊电磁特性的微带天线。例如，可 以采用超材料结构来增强天线的带宽或改变天线的辐射方向图。这种方法可以在 不同频率范围内获得良好的辐射特性，从而实现宽频带工作。
一、宽频带微带天线的理论基础
微带天线的带宽主要受限于其辐射单元的尺寸和形状。为了提高微带天线的 带宽，可以从以下几个方面进行考虑：
1、增加辐射单元的尺寸：辐射单元的尺寸增加可以有效地减小表面波的传 播长度，从而扩展天线的带宽。然而，这也会导致天线的尺寸增大，因此在设计 时需要权衡尺寸和带宽的关系。
二、微带天线的宽频带设计
宽频带设计是指通过调整天线的设计参数，使其在宽频率范围内保持稳定的 性能。对于微带天线来说，宽频带设计是一项重要的挑战，因为微带天线的带宽 通常很窄。
1、调整几何结构：通过改变导体片的形状和尺寸，可以影响微带天线的带 宽。例如，可以增加导体片的面积或调整导体片的边缘曲线，以改变电流分布和 辐射阻抗，从而增加带宽。
3、阻抗：天线的阻抗是指电流在天线中流动时遇到的电阻。阻抗与天线的 辐射效率和稳定性密切相关。计算阻抗通常需要考虑天线的工作频率、形状和尺 寸，以及周围环境的介电常数和磁导率等因素。
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第六章 缝隙天线与微带天线§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 m z 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 mωω 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 rIejE jkr-=-()()ϑϑπϕsin cos cos cos 2kl kl rIejH 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 reE jE jkrm m--=-()ϑϑμεπωθsin cos cos cos kl kl reE jH jkrm m-=-在0<x 的半空间，电场和磁场的符号与上式相反。
理想缝隙与电对称阵子：1) 理想缝隙与电对称阵子为互补天线； 2) 方向性相同，其方向函数为：()()θθθsin cos cos cos klkl f -=3) 场的极化不同，H 面、E 面互换，理想缝隙E面无方向性，对称阵子H 面无方向性；4) 二者辐射阻抗、输入阻抗乘积为常数，即：辐射电阻2)60(π=re rmR R 辐射阻抗2)60(π=re rmZ Z输入阻抗2)60(π=ine inmZ 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=1.73reR ，理想半波缝隙天线的辐射电阻应为：Ω==5001.73)60(2πrm R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。
6.1.2 缝隙天线最基本的缝隙天线是开在矩形波导臂上的半波谐振缝隙，如下图所示。
1） 波导壁电流分布波导内传输的主模为TE模，波导壁上有横向和纵10向电流分量，见上图。
横向电流沿宽边呈余弦分布，中心处为零；纵向电流沿宽边呈正弦分布，中心处最大。
波导窄壁上只有横向电流，且沿窄边均匀分布。
2）波导缝隙辐射缝隙：缝隙切断电流线，中断的电流线以位移电流的形式延续，缝隙因此受到激励，波导内传输的功率通过缝隙向外辐射，见图中的a,b,c,d,e。
非辐射缝隙：缝隙与电流线平行，不能激励电场，不具有辐射能力，见图中f。
3）波导缝隙与理想缝隙的区别a)结构尺寸的限制，边界条件不同，存在绕射；b)E面方向图发生畸变，H面方向图差别不大；c)辐射功率和辐射电导为理想缝隙天线的一半。
4）波导缝隙的等效电路波导开缝会对波导内部的传输特性产生影响，可以将缝隙等效成传输线上并联导纳和串联阻抗，结合微波网络理论对其影响进行分析。
波导开缝方式不同，缝隙的等效电路也不同。
下图给出了各种波导缝隙的等效电路。
如果缝隙的长度等于谐振长度，等效阻抗或导纳只有实部，虚部为零。
下图给出了三种典型缝隙，其归一化电阻或电导与位置参数的关系为：⎪⎪⎭⎫⎝⎛⎪⎭⎫ ⎝⎛=g gaxb a g λπλπλλ2cos sin 09.22121 ⎪⎭⎫ ⎝⎛⎪⎭⎫ ⎝⎛⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛=a x a abr g 12223cos 4cos 523.0ππλλλλ22332sin sin 1sin 2cos sin 131.0⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎣⎡⎪⎪⎭⎫⎝⎛-⎪⎪⎭⎫⎝⎛=θθλλθλπλθλλg gg b a g6.1.3 缝隙天线阵由开在波导上按一定规律排列、尺寸相同的缝隙构成。
这里主要介绍几种缝隙阵。
6.1.3.1 谐振式缝隙阵所有缝隙同相激励，最大辐射方向与天线轴线垂直，是边射阵。
常见的谐振式缝隙阵如下图所示。
图（a）为开在宽壁上的横向缝隙阵，相邻缝隙间距为λ，以保证同相激励。
缺点是存在栅瓣，增益低，g因此很少采用。
图（b）为在宽壁中心线两侧每隔2λ交替开纵向缝隙g组成的缝隙阵。
利用中心线两侧对称位置处横向电流反相、沿波导每隔2gλ场强反相的特点保证同相激励。
6.1.3.2 非谐振式缝隙阵波导端接吸收负载，波导内部传输行波，缝隙间距不等于2gλ，阵源非同相激励。
图（a ）结构，相邻缝隙的相位依次滞后dgλπα2=。
图（b ）结构，相邻缝隙波程差带来的相位差为dgλπ2，附加相移为180，总的相差为πλπα±=d g2。
由均匀直线阵的分析可知，当0sin =+δαkd 时，方向函数取得最大值，由此可得非谐振缝隙天线阵的最大辐射方向偏离阵法线的角度为：dπλαδ2arcsinmax =可见最大辐射方向随α的变化而改变，而α与频率有关，因此非谐振式缝隙阵可实现频率扫描。
6.1.3.2 匹配斜缝隙阵波导壁上开有谐振斜缝，终端端接匹配负载，构成匹配斜缝隙阵。
下图为开在波导宽壁上的匹配斜缝隙阵。
适当调整缝隙对中心线的偏移1x 、斜角δ和附近螺钉，可使缝隙归一化等效导纳1=g ，且同相激励，最大辐射方向与宽壁垂直。
以上介绍的波导缝隙阵的方向图可由方向图乘积定理得到，阵元方向图为半波对称阵子的方向图，阵因子取决于相邻缝隙的间距和激励的相位差。
§6.2 微带天线微带天线是敷于介质基片上的导体贴片和接地板构成。
如下图所示。
微带天线的优缺点：体积小、成本低、重量轻、低剖面，易于与载体微带天线示意图共形；✧散射截面小、波瓣宽；✧易于和微带电路集成；✧易于实现线极化、圆极化、双极化和双频段工作；✧带宽窄、增益低、功率容量低（<100W）。
贴片的形状：微带天线的分析方法：✧数值方法如全波分析方法，包括频域混合势积分方程法（MPIE）和时域有限差分法（FDTD）等。
算法精度高、编程复杂。
✧近似方法如腔模理论和传输线法等，算法相对简单。
6.2.1矩形微带天线导体贴片为矩形的微带天线，由传输线或同轴探针馈电，在贴片与接地板之间激起高频电磁场，并通过贴片四周与接地板之间的缝隙向外辐射。
矩形微带贴片可看作宽为W 、长为L （一般2g L λ=）的一段微带传输线，其终端（L y =）处呈现开路，是电压波幅和电流波节面。
贴片和接地板之间的电场分布如下图所示。
1. 辐射机理选择图示坐标系，假设电场沿z 方向均匀分布，沿y 方向的电场分布可近似表示为：x e Ly E E ˆcos 0⎪⎭⎫⎝⎛=π 贴片四周窄缝上的等效面磁流密度为：E eJ n m s⨯-=ˆ （*）n eˆ --缝隙表面的外法向单位矢量。
由于电场只有x 方向分量，因此等效面磁流均与接地板平行，见图中箭头所示。
由（*）式可知， 表面磁流沿两条W 边是同向的，其辐射场在x 轴方向同相叠加，呈最大辐射，并随偏离角的增大而减小，形成边射方向图。
在每条L 边上，磁流呈反对称分布，在H 面（xoz 面）上的辐射相互抵消；两条L 边的磁流彼此呈反对称分布，在E 面（xoy 面）上的辐射场也相互抵消。
L 边在其它平面上的辐射虽然不会完全抵消，但与两条W 的辐射场相比，显得非常微弱。
可见矩形微带天线的辐射主要由两条W 边的缝隙产生，称为辐射边。
2．辐射场的求解矩形微带天线的辐射场由相距L 的两条W 边缝隙辐射场叠加而成。
考虑0=y 的缝隙，表面磁流密度为：0ˆE eJ z ms -= 对于远区观察点()ϕθ,,r P ，磁矢位为：()⎰⎰--+---=22cos cos sin 041ˆW W hhz x r jk z dzdxeE r eF θϕθπ式中考虑了接地板引入的镜像效应。
积分后得到：()jkrz e k kW kh kh r h E e F -⎪⎭⎫ ⎝⎛-=θθϕθϕθπcos cos 21sin cos sin cos sin sin ˆ0由F E⨯-∇=可得远区电场矢量为： ()jkr ekW kh kh r h jE eE -⎪⎭⎫⎝⎛=θθθϕθϕθπϕsin cos cos 21sin cos sin cos sin sin ˆ0对于Ly =处面磁流对辐射场的贡献，可考虑间距2g L λ=的等幅同相二元阵，其阵因子为：⎪⎭⎫ ⎝⎛=ϕθsin sin 21cos 2kL f n矩形微带天线远区辐射场为：()jkr ekL kW kh kh r h E j eE -⎪⎭⎫ ⎝⎛⎪⎭⎫⎝⎛=ϕθθθθϕθϕθπϕsin sin 21cos sin cos cos 21sin cos sin cos sin sin 2ˆ03．方向图由于实际微带天线的1<<kh ，地因子近似等于1，方向函数可表示为：()⎪⎭⎫ ⎝⎛⎪⎭⎫⎝⎛=ϕθθθθϕθsin sin 21cos sin cos 21cos 21sin ,kL kW kW FE 面（xoy 面），90=θ，方向函数为：()⎪⎭⎫⎝⎛=ϕϕsin 21cos kL F EH 面（xoz 面），=ϕ，方向函数为：()θθθθsin cos 21cos 21sin kW kW F H ⎪⎭⎫ ⎝⎛=下图给出了理论计算和实测的矩形微带天线的方向图。
4．辐射电导如果定义h E U m 0=，辐射电导定义为rmm r G U P 221=，可求得每条边的辐射电导为：θθθθλπμεππd WG rm 322sin cos cos sin 1⎰⎪⎭⎫ ⎝⎛=当λ<<W时，2901⎪⎭⎫ ⎝⎛≈λW G rm当λ>>W 时，λ120W G rm ≈。
5．输入导纳矩形微带天线的输入导纳可由微带传输线法进行计算，等效电路见下图所示。
假设微带线的特性导纳为c Y ，则输入导纳为：()()[]()()L jB G j Y L B j G Y jB G Y c cin ββtan tan ++++++=egελπλπβ22==e ε --有效介电常数。