微带天线和缝隙天线
(天线技术)第8章缝隙天线和微带天线
将切割好的导电材料与绝缘材料组装在一起，使用适当的粘合剂 或机械固定方式进行固定。
测试与调整
完成制作后，对缝隙天线进行测试和调整，确保其性能符合设计 要求。
05
微带天线的设计与实现
微带天线的设计方法
确定工作频率
根据应用需求，确定微带天线的工作频率。
设计贴片形状和尺寸
根据理论公式和仿真软件，设计出合适的贴 片形状和尺寸。
性能特点的比较
缝隙天线
结构简单、易于加工、成本低，但带 宽较窄，增益较低。
微带天线
体积小、重量轻、易于集成，具有宽 频带和多频段特性，但效率较低、功 率容量有限。
应用场景的比较
缝隙天线
广泛应用于通信、雷达、导航等领域，尤其适用于低成本、小型化要求较高的 场合。
微带天线
广泛应用于卫星通信、移动通信、电子战等领域，尤其适用于需要集成度高、 体积小的场合。
天线技术的未来展望
多样化应用场景
随着5G/6G通信、物联网、 智能终端等应用的普及， 天线技术的应用场景将更 加多样化。
创新性技术突破
未来天线技术将不断涌现 出新的理论和技术，推动 天线性能的不断提升和应 用领域的拓展。
绿色环保理念
随着社会对环保的重视， 天线技术将更加注重绿色 环保理念，推动可持续发 展。
缝隙天线的历史与发展
缝隙天线最早可以追溯到19世 纪末期，当时主要用于无线电
报通信。
随着技术的发展，缝隙天线 在20世纪得到了广泛的应用， 特别是在雷达、卫星通信无线通信技术的 快速发展，缝隙天线在移动通 信、WiFi通信等领域的应用也
越来越广泛。
02
微带天线概述
微带天线的定义
06
第5章缝隙微带天线
aλ g
πx1
a
x1
r
θ
⎛ λg r = 0.523⎜ ⎜λ ⎝
⎞ λ2 2 πλ 2 πx1 ⎟ ⎟ ab cos ( 4a ) cos ( a ) ⎠
3
b
g
π λ ⎞ ⎛ sinθ cos( sinθ ) ⎟ 3⎜ λg λ ⎜ 2 λg ⎟ r = 0.131 3 ⎜ ⎟ λ ab 2 ⎟ ⎜ 1− ( sinθ ) λg ⎠ ⎝
v v 1 W /2 h − jk ( r − x 'sin θ cos ϕ + z 'cos θ ) F = −e z dx ' dz ' ∫−W / 2 ∫−h E0e 4πr
其中考虑了接地板引起的正镜像
1 sin( kW cos θ ) v E 0 h sin( kh sin θ cos ϕ ) v 2 F = −ez e − jkr πr kh sin θ cos ϕ k cos θ
5.2.1 矩形微带天线
x
z
L≈λg /2
o o
W
vm v v J s = −e n × E
y
v E
接地板 介质基片 辐射贴片
vm Js
ε
r
h
Ex = E0 cos( y / L) π
通过贴片四周与接地板间的缝隙向外辐射
求解缝隙中等效面磁流密度的辐射场 z
vm v v v Js = −en × Ex = −E0ez
1 v v 2E0h sin(kh sinθ cosϕ ) sin(2 kW cosθ ) 1 E = eϕ j sinθ cos( kL sinθ sinϕ )e− jkr πr kh sinθ cosϕ cosθ 2
第5章 缝隙天线与微带天线解析
第5章 缝隙天线与微带天线
三、 缝隙天线阵（Slot Arrays）
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。
1. 谐振式缝隙阵
特点：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，波导终端采用短路活塞。
缺点：波导波长λg大于自由空间波长，缝隙阵会出现栅瓣，同时
振子辐射场的极化方
f ( ) cos(kl cos ) cos kl
向相互正交，其它特
sin
H面 性完全相同。
第5章 缝隙天线与微带天线
半 波 缝 隙 天H面线 方的 向 图 z
y
x＜ 0
x＞ 0
(a)电力线；
(b)磁力线
二、 第缝5章隙天缝线隙天线与微带天线
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。
成非谐振式缝隙阵。
由传输线理论可知，图a相邻缝隙的相位依次落后
2 g
d
对于图 (b)的缝隙天线阵，相邻缝隙除行波的波程差
2 g
d
之外，
还有附加的180°相移，所以相邻缝隙之间的相位差将沿行波方向
依次落后
。 2 d g
第5章 缝隙天线与微带天线
非谐振缝隙天线阵的特点： 1、最大辐射方向偏离阵法线的角度为：
是曲面形状。
(a)
(b)
(a)圆突—矩形波导缝隙天线；(b)扇面波导缝隙天线 工程上波导缝隙天线阵的方向系数的估算公式:
D 3.2N
第5章 缝隙天线与微带天线
第二节 微带天线
微带天线(Microstrip Antennas)：
由导体薄片粘贴在背面有导体接地板的介质基片上形成的天线。 优点： 1、体积小，重量轻，低剖面，能与载体共形； 2、制造成本低，易于批量生产；天线的散射截面较小； 3、能得到单方向的宽瓣方向图，最大辐射方向在平面的法线方向； 4、易于和微带线路集成； 5、易于实现线极化和圆极化，容易实现双频段、双极化等多功能
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第1章天线基础知识1.什么是电基本振子，电基本振子远区辐射场的特点？电基本振子是一段理想的高频电流直导线，其长度l 远小于波长λ，其半径a 远小于l ，同时振子沿线的电流I 处处等幅同相。
远区场特点：p4，包括大小关系、方向关系。
00060sin ,/==377jkr Il E j e H E r q j q m p q h h l e -==W ，对真空，2.远区场坡印廷矢量平均值计算公式(会计算)：p4。
与距离平方、波长平方成反比，与子午角正弦的平方成正比。
电基本振子远区辐射场的主要特性：(1) E θ、H υ均与距离r 成反比，成反比，辐射场的等相位面为辐射场的等相位面为r 等于常数的球面，E 、H 和S av 相互垂直，且符合右手螺旋定则。
(2)传播方向上电磁场的分量为零。
(3)E θ和H υ的比值为常数。
(4)E θ和H υ与sin θ成正比。
(5)辐射功率P r 正比于(Il/λ)2。
如果是近区，电场与磁场相差90度相位差。
3.电基本振子的辐射功率和辐射电阻公式(会计算，p5) 22240()r l P I p l =4.电基本振子和磁基本振子远区辐射功率比较对同样电长度的导线绕制成磁偶极子，在电流振幅相同情况下，远区的辐射功率比电偶极子小几个数量级。
磁基本振子的辐射场是根据电磁对偶性原理推得的。
5.天线的方向函数定义：p8 (,,)(,)60/E r f I rq j q j =归一化方向函数：max max(,)(,)(,)(,)E f F f E q j q j q j q j ==电基本振子的E 面归一化方向函数F (θ,φ)=|sin θ| ，H 面为圆。
6.E 面方向图与H 面方向图如何定义的？p9 E 面方向图：电场强度矢量所在并包含最大辐射方向的平面；H 面方向图：磁场强度矢量所在并包含最大辐射方向的平面。
功率方向图(也有E 面和H 面之分)：Φ(θ,φ)=F 2(θ,φ) 半功率点波瓣宽度(3d B 波瓣宽度)2θ0.5E (E 面)或2θ0.5H （Ｈ面）。
缝隙天线和微带天线教育课件
(a)
(b)
(a)圆突—矩形波导缝隙天线； (b)扇面波导缝隙天线
其主要的研究热点为精确地计算相应缝隙的等效阻抗。
5.2 微带天线(Microstrip Antennas)
沿每条b边的磁流都由反对称的两部分构成， 它们在H面（yz平面）上各处的辐射相互抵消； 而两条b边的磁流又彼此呈反对称分布，因而 在E面（xz平面）上各处，它们的场也都相消， 在其它平面上这些磁流的辐射不会完全相消， 但与沿两条a边的辐射相比，都相当弱。
微带天线工作原理—辐射机理
矩形微带天线的辐射主要由沿两条a边的 缝隙产生，该二边称为辐射边。由于接 地板的存在，天线主要向上半空间辐射。 对上半空间而言，接地板的效应近似等 效于引入磁流 M s 的正镜像。由于 h<<0 ， 因此它只相当于将 M s 加倍，辐射图形基 本不变。
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。
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：
1
90
a 0
2
G
s
1
120
a 0
1 60
2
1 a 120 0
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
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。
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 ⎠
基于缝隙耦合的微带天线设计
基于缝隙耦合的微带天线设计摘要：能够同时适用于射频识别、全球微波无线互联网和无线局域网这几大主流物联网通信技术标准的宽频天线的设计要求越来越高，比如体积小、成本低等，而微带天线体积小、剖面低且可集成化程度高，适合大批量生产，但其频带较窄，使用范围受到限制。
为此，提出了一种紧凑型宽频带微带贴片天线。
该天线引入了L型缝隙和三角形缝隙，仿真结果表明，天线－10dB阻抗带宽可达到100%，其工作频带为1．5GHz～4．3GHz;轴比带宽为3．4GHz～3．8GHz，圆极化带宽为11%;在该范围内的增益都在3dB以上;整个工作频带范围内都实现了宽频带、高增益等特性，适用于射频识别、蓝牙、WLAN等频段。
关键词：宽频带;微带贴片天线;增益;圆极化引言近年来，随着无线电技术的迅猛发展，对天线的要求越来越高，既需要天线高增益、宽频带，还要求具备剖面低、重量轻、易制作等特点。
当前无芯片射频标签正逐渐兴起。
频率编码容量大的无芯片标签工作的频率范围很宽，对标签阅读器的天线提出了更宽频带的要求。
微带天线因为其固有的窄带宽的特点，导致其应用大大地受到限制。
为了拓展微带天线的带宽，1984年，Pozar首次提出了缝隙耦合馈电微带天线，该天线隔离了馈电网络与辐射贴片，降低了馈电网络杂散波对辐射贴片的影响，克服了传统馈电方式带来的电感效应。
用缝隙耦合馈电的方式来拓展带宽，工程师们做了大量的卓有成效的工作。
1结构分析1.1天线结构设计按照结构特征分类可以把微带天线分为微带贴片天线和微带缝隙天线。
从以往的研究来看，不同的贴片形状也会影响天线的阻抗带宽。
常用的贴片形状为矩形、正方形、圆形、三角形或者其他，通常会在这些图形的基础上做一些更加复杂的变化，以此改变天线的工作带宽、波束宽度、增益、轴比特性、圆极化等，来满足实际应用的需求。
本次设计的宽频带天线最终整体结构如图1所示。
该天线对贴片的缝隙大小以及位置进行设计修改，整体包含三个部分，分别为顶层辐射金属贴片层、中间介质基板、底层接地板金属贴片层。
天线第十一讲-缝隙天线与微带天线201505112
South China University of Technology
第11讲内容
缝隙天线 微带天线
Research Institute of Antennas & RF Techniques School of Electronic & Information Engineering
South China University of Technology
(b)互补磁屏
Research Institute of Antennas & RF Techniques School of Electronic & Information Engineering
(c)互补电屏
对偶原理
South China University of Technology
电荷、电流产生的场
South China University of Technology
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。
Research Institute of Antennas & RF Techniques School of Electronic & Information Engineering
South China University of Technology
【电屏与互补电屏的互补原理】
如图源
rr J,M
分布在z<0的有限区域中，z=0面上分三
种情况:
（1）无任何屏，场为
rr Ei , Hi
（2）放置一开孔的无限大理想导体平面，孔面积为A，
导体面积为S，场为
rr Ete , Hte
微带天线的设计
微带天线设计天线大体可分为线天线和口径天线两类。
移动通信用的VHF 、UHF 天线，大多是以对称振子为基础而发展的各种型式的线天线，卫星地面站接收卫星信号大多用抛物面天线（口径天线）。
天线的特征与天线的形状、大小及构成材料有关。
天线的大小一般以天线发射或接收电磁波的波长l 来计量。
因为工作于波长l = 2m 的长为1m 的偶极子天线的辐射特性与工作于波长l = 2cm 的长为1cm 的偶极子天线是相同的。
与天线方向性有关参数：方向性函数或方向图 离开天线一定距离处，描述天线辐射的电磁场强度在空间的相对分布的数学表达式，称为天线的方向性函数； 把方向性函数用图形表示出来，就是方向图。
最大辐射波束通常称为方向图的主瓣。
主瓣旁边的几个小的波束叫旁瓣。
为了方便对各种天线的方向图进行比较，就需要规定一些表示方向图特性的参数，这些参数有：1．天线增益G （或方向性GD ）、波束宽度（或主瓣宽度）、旁瓣电平等。
2．天线效率3．极化特性4．频带宽度5．输入阻抗天线增益是在波阵面某一给定方向天线辐射强度的量度。
它是被研究天线在最大辐射方向的辐射强度与被研究天线具有同等输入功率的各向同性天线在同一点所产生的最大辐射强度之比。
天线方向性GD与天线增益G类似但与天线增益定义略有不同。
因为天线总有损耗，天线辐射功率比馈入功率总要小一些，所以天线增益总要比天线方向性小一些。
理想天线能把全部馈入天线的功率限制在某一立体角ΩB内辐射出去，且在ΩB立体角内均匀分布。
这种情况下天线增益与天线方向性相等。
理想的天线辐射波束立体角ΩB及波束宽度θB实际天线的辐射功率有时并不限制在一个波束中，在一个波束内也非均匀分布。
在波束中心辐射强度最大，偏离波束中心，辐射强度减小。
辐射强度减小到3db时的立体角即定义为ΩB。
波束宽度θB与立体角ΩB关系为旁瓣电平旁瓣电平是指主瓣最近且电平最高的。
第一旁瓣电平，一般以分贝表示。
方向图的旁瓣区一般是不需要辐射的区域，其电平应尽可能的低。
缝隙天线与微带天线
振子的波腹处电流值Iem应满足下面的等式:
Um 60 I
e m
（5―1―9）
第5章 缝隙天线与微带天线
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 e2 Pr ,e I m Rr ,e 2
（5―1―10）
由式（5―1―8 ）、（ 5―1―9 ）和式（5―1―10），
可推导出理想缝隙天线的辐射电阻与其互补的电对称振
度的理想缝隙天线的输入阻抗、辐射阻抗均可以由与 其互补的电对称振子的相应值求得。由于谐振电对称 振子的输入阻抗为纯阻，因此谐振缝隙的输入电阻也 为纯阻，并且其谐振长度同样稍短于λ/2，且缝隙越宽， 缩短程度越大。
第5章 缝隙天线与微带天线
5.1.2 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；
第5章 缝隙天线与微带天线
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
第5章 缝隙天线与微带天线
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。
13-缝隙天线与微带天线 天线原理
South China University of Technology
电磁场等效原理
考虑下图a所示的原问题。如果把v1中的场变为Eb、
South China University of Technology
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
Js nˆ H a，Ms nˆ E a
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
r
2M 2nˆ E
缝隙天线
等效磁流
对偶的导体 对称振子
Research Institute of Antennas & RF Techniques School of Electronic & Information Engineering
电磁场巴比涅原理
South China University of Technology
J M /
M J E H
波阻抗
H E /
Research Institute of Antennas & RF Techniques School of Electronic & Information Engineering
于是，互补关系为
Ete
H
e t
H 1
d t
Etd
Ei Hi
South China University of Technology
第5章 缝隙天线与微带天线
宽为W、长 为L的一段 微带传输线
z L
O
W y
r
辐射电磁波
第5章 缝隙天线与微带天线
终端(y=L边)处开路，形成电压波腹和电流的波节点。L≈λg/2， y=0 边也呈现电压波腹和电流的波节点。
x z L
电场可近似表达为：
O
W y
J sm
E
E x E0 cos(
y
L
)
贴片四周窄缝上等效的面磁流密度为：
3、能得到单方向的宽瓣方向图，最大辐射方向在平面的法线方向；
第5章 缝隙天线与微带天线
微带线示意图：
导带 介质 接地板 主模：准TEM
可以传输的模式：TEM、TE、TM
一、 矩形微带天线
第5章 缝隙天线与微带天线
矩形微带天线是由矩形导体薄片粘贴在背面有导体接地板 的介质基片上形成的天线。利用微带传输线或同轴探针 来馈电，通过贴片四周与接地板之间的缝隙向外辐射。
Ls L
TM10 和 介 于 TM10 与 TM20 之 间 的
模式。
z
l W h
Wp
同轴线馈缝隙负载贴片天线结构
第5章 缝隙天线与微带天线
W=15.5mm，L=11.5mm，l=0.5mm，W1=d=1mm，Wp=5.5mm， εr=2.2、h=0.8mm时，利用FDTD（时域有限差分法）计算该天线 的s11参数随馈电位置的频率变化曲线。
谐振式缝隙天线阵中的缝隙都是匹配缝隙，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。 适当地调整缝隙对中线的偏移x1和斜角δ，各缝隙可以得到同相，
最大辐射方向与宽壁垂直。
/2
x1
g /2
匹配偏斜缝隙天线
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：
天线技术
H面
图 7-2 理想缝隙（2l=λ/2）天线的辐射方向图
第 7 章 缝隙天线和微带天线 由于利用了对偶关系，此式假设了缝上电压（或切向电场）
沿缝隙轴线也是按正弦分布的。对比理想缝隙与对称振子的场
（1） 二者的方向相同，方向性函数都是
F (,)co lc ss ( o i ) n sco l)s((7-1-3)
8
56
9
图 7-3 波导内壁的电流分布与缝隙配置示意图
第 7 章 缝隙天线和微带天线
y
z
x
E面
x H面
图 7-4 波导天线的辐射方向图
第 7 章 缝隙天线和微带天线
7.1.3 波导缝隙天线阵的方向特性和宽频带特性
1. 谐振式缝隙阵
活塞
g
g
2
a
活塞
b 同轴线
图 7-5 宽壁纵向缝隙阵
第 7 章 缝隙天线和微带天线
第 7 章 缝隙天线和微带天线
等 效辐 射缝 隙 l
2 w
l h
图 7-16 等效辐射缝隙
第 7 章 缝隙天线和微带天线 7.2.3 微带天线的方向特性
建立如图7-17所示的坐标，设缝隙上电压为U，缝的切向电
场Ex=U/h，可以等效为沿z方向的磁流。考虑到理想接地板上磁 流的镜像，缝隙的等效磁流为
其方向性函数为
F ()co lc ss( o i ) n sco l)s( (7-1-2)
由于理想缝隙天线与板状对称振子具有对偶性。因此，根 据对偶原理，理想缝隙天线的方向性函数与同长度的对称振子 的方向性函数在E面和H面是相互交换的，如图7-2所示。
第 7 章 缝隙天线和微带天线
y
O
x
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第四讲微带天线
一、引言
上一讲介绍了对称振子和接地单极子天线。
这两种天线本质上属于线天线。
但是手机内置天线往往都不是线天线的形式，常见的PIFA天线和单极子变形天线往往都是平面天线的形式。
尽管在某种程度上它们也和对称振子或接地单极子天线有某种程度的相似性。
在现有理论基础下，由于专门对手机天线进行严格理论分析的论著还很少，所以为更加深入地理解手机天线，我们还有必要了解几种其他类型的天线的一般特性。
这一讲主要介绍微带天线的概念和基本原理。
二、微带天线的结构
如下图所示，结构最简单的微带天线是由贴在带有金属地板的介质基片（）上的辐射贴片所构成的。
贴片上导体通常是铜和金，它可以为任意形
状。
但通常为便于分析和便于预测其性能都用较为简单的几何形状。
为增强辐射的边缘场，通常要求基片的介电场数较低。
三、微带天线的特点
微带天线的典型优点是：
1．重量轻、体积小、剖面薄；
2．制造成本低，适于大量生产；
3．通过改变馈点的位置就可以获得线极化和圆极化；
4．易于实现双频工作。
但微带天线也有如下缺点：
1．工作频带窄；
2．损耗大，增益低；
3．大多微带天线只在半空间辐射；
4．端射性能差；
5．功率容量低。
四、微带天线的辐射机理
微带天线的辐射是由微带天线导体边沿和地板之间的边缘场产生的。
这可以从以下图中的情况简单说明，这个图是一个侧向馈电的矩形微带贴片，与地板相距高度为h。
假设电场沿微带结构的宽度和厚度方向没有变化，则辐射器的电场仅仅沿
约为半波长（）的贴片长度方向变化。
辐射基本上是由贴片开路边沿的边缘场引起的。
在两端的场相对地板可以分解为法向和切向分量，因为贴片长度为，
所以法向分量反相，由它们产生的远区场在正面方向上互相抵消。
平行于地板的切向分量同相，因此合成场增强，从而使垂直于地板的切向分量同相，因此合成场增强，从而使垂直于结构表面的方向上辐射场最强。
根据以上分析，贴片可以等效为两个相距、同相激励并向地板以上半空间辐射的两个缝隙。
对微带贴片沿宽度方向的电场变化也可以采用同样的方法等效为同样的缝隙。
这样，微带贴片天线的辐射就等效为微带天线周围的四个缝隙的辐射。
这种分析方法不仅适用于微带矩形贴片天线，同样也适于其他形状微带天线。
五、微带天线分析方法
各种天线在进行工程设计，都需要估算天线的性能参数（方向图、方向系数、效率、输入阻抗、极化和频带等），这样才能提高天线研制工作的质量和效率，降低研制成本。
许多人致力于微带天线的理论研究，并产生了多种分析方法，如传输线法、腔模理论法、格林函数法、积分方程法和矩量法。
这些分析方法各有长短，但都可以得到近似的定性结论，这些结论对判断天线的特性是很有帮助的。
常用微带天线大多是窄带器件，其窄带性质主要表现在输入阻抗对频率敏感的
特性上，因此确定微带天线的谐振频率和阻抗特性十分关键，这也是评价不同分析方法优劣的一个重要依据。
除这种特殊情况以外，各种分析方法计算微带天线的方向图时结果基本是一致的，特别是主波束。
六、微带贴片的传输线分析法
传输线分析法是微带天线最早期的分析方法，也是最简单的方法。
这种方法基于如下基本假设：
1．微带片和接地板构成一段微带传输线，传输准TEM波，传输方向决定于馈
是准TEM波的波长。
场在传输方向呈驻波点，线段长度，
m
分布，而在其垂直方向（宽度方向）是常数。
2．传输线的两个开口端（始端和末端）等效为两个辐射缝，长为W，宽为h，缝口径场即为传输线开口端的场强。
缝平面可以看作是位于微带片两端的延伸面上，即将开口面向上弯折90度，而开口场强随之折转。
根据上面的两点假设，当时，两缝上的切向电场都是方向，并且等幅同相。
它们等效为磁流，由于接地板的作用，相当于有两倍磁流向上半空间辐射，缝上的等效磁流密度为：
V是传输线开口端的电压。
由于缝已经放平，在计算上半空间的辐射场时，就可以按照自由空间处理。
微带线和同轴线馈电的微带贴片天线等效电路如下图所示。
在上面的等效电路中，（a）是带线馈电方式，其中是缝隙辐射导纳，是微带片的特性导纳。
（b）是同轴线的馈电方式，探针从接地板穿孔引出，称为底部馈电。
两种等效电路的不同之处在于，同轴馈电的馈点在微带片的开口端之间馈电，
激励源与开始端有一段距离，探针本身会引入感抗。
七、微带贴片天线的辐射方向图
从上面的微带天线传输线等效电路可以方便地导出天线的辐射场函数，并可以
画出方向图。
在这个方向图中，在方向上，只有分量，所以本平面称为E面，这是包含准TEM波传播方向和轴的平面；而平面上，，只有分量，所以是H面，这是与波传播方向垂直的平面。
八、微带天线的工作频率和输入阻抗
根据传输线等效电路也可以计算微带天线的谐振频率和输入阻抗，但计算方法相当复杂，需要求解复杂的超越方程，结果也不够精确。
在手机天线中，为获得工作频率和输入阻抗通常采用矢量网络分析仪通过实验测试确定。
[提示] 天线技术是一种实践性很强的技术，又是一种理论和实践密切配合的技术。
有时数学工具可以帮助进行精确的分析和定性判断，但数学工具也不是万能的，必须重视实践。
爱迪生曾让一位数学家计算灯泡的容积，数学家三天也没算出来结果。
当爱迪生将灯泡灌满水让数学家去量一下水量时，数学家恍然大悟。
微带天线的输入阻抗值的确定就是这样的一个典型例子，与其解一大堆方程，不如用一下网络分析仪。
九、微带贴片天线中的若干经验公式
在若干数学物理学家对微带天线进行研究的同时，另外也有不少实干家通过实验寻找相关的经验公式，这些经验公式对实际设计同样有重要的指导意义。
以下就介绍一些微带天线中重要实验定理和经验公式。
1．列文实验定理：影响微带天线辐射场的因素包括微带谐振器的尺寸、工作频率、相对介电场数和基片的厚度；高频时辐射损耗远远大于导体和介质的损
耗；使用厚度大而介电场数低的基片时，开路微带线的辐射更强。
2．频带的决定因素：微带天线的带宽窄，主要是由两个辐射缝之间的传输线特性阻抗低（1－10欧）所致。
厚度的增大可以使传输线特性阻抗增大从而使
频带变宽。
当厚度时，VSWR<2的频带宽度的经验公式是：
，其中频率单位是GHz，h单位是毫米。
3．基板厚度h对效率的影响：实验证明，随着基板厚度h的增加，辐射效率显著加大。
4．工作带宽和Q值的关系：，S为最大允许VSWR值。
5．Q值和基板厚度h的关系：。