项目七用HFSS仿真波导缝隙天线
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cos( l cos ) cos( l ) j r E j 60 I m e r sin 其方向性函数为
(7－3)
cos( l cos ) cos( l ) F ( ) sin
(7－4)
项目七 用HFSS仿真波导缝隙天线
由于理想缝隙天线与板状对称振子具有对偶性。因此，
cos( l cos ) cos( l ) F ( , ) sin
(7－5)
与对称振子一样，常用的缝隙天线是半波缝隙，即l=λ/4， 将其代入式(7－5)得
cos cos 2 F ( , ) sin
(7－6)
在包含缝隙轴线的平面内，方向图是“8”字形；在垂直 于缝隙轴线的平面内，方向图是圆形。
项目七 用HFSS仿真波导缝隙天线
7.1.3 用HFSS仿真计算波导缝隙天线
任务要求：仿真波导缝隙天线的特性参数。 测试设备：计算机、HFSS软件。 设计步骤 1.初始步骤 (1)打开软件AnsoftHFSS。 点击Start按钮，选择Program，然后选择Ansoft/HFSS11， 点击HFSS11。
理想缝隙天线的横向尺寸远小于波长，纵向尺寸通常为λ/2。
项目七 用HFSS仿真波导缝隙天线
设yOz为无限大和无限薄的理想导电平板，在此面上沿z
轴开一个长为2l、宽为W（W<<λ）的缝隙。根据电磁场在金 属表面的分布特点，只可能存在平行于金属表面的磁场和垂 直于金属表面的电场。所以缝隙中的场可近似地认为是由金 属表面的磁场感应出来的，是垂直于缝隙的长边的电场，如 果不忽略短边处的边界条件限制，其分布可挖为如图7－1(a) 所示。这个电场可以向外辐射电磁波，具有天线的功能，所 以叫缝隙天线。
项目七 用HFSS仿真波导缝隙天线
项目七
用HFSS仿真波导缝隙天线
7.1 缝隙天线 7.2 带天线
项目七 用HFSS仿真波导缝隙天线
7.1 缝隙天线
7.1.1 理想缝隙天线
常见缝隙天线就是在波导壁上开有缝隙，以用来辐射或 接收电磁波的天线。在研究实际的缝隙天线之前，先讨论在
无限大和无限薄的理想导电平板上的缝隙——理想缝隙天线。
项目七 用HFSS仿真波导缝隙天线 （2）二者的主平面互换了位置，包含缝隙轴线的平面 是H面，而垂直于缝隙轴线的平面是E面。因此，垂直缝隙 （缝隙轴线在垂直方向）是水平极化的，水平缝隙是垂直极 化的。
项目七 用HFSS仿真波导缝隙天线
7.1.2 波导缝隙天线
在波导壁的适当位置和方向上开的缝隙也可以有效地辐 射和接收无线电波，这种开在波导上的缝隙称为波导缝隙天 线。 常见的波导缝隙天线是由开在矩形波导壁上的缝隙构成 的。波导缝隙要成为有效的天线必须选择适当的位置和方向。 波导上的缝隙是不需要另外的馈线的，它辐射的能量来自波 导内的电磁波。设矩形波导传输TE10波，其内壁的电流如图 7－3所示。
E H dl ds t L S
S
(7－2)
H ds 0
S
项目七 用HFSS仿真波导缝隙天线
图7－1
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我们发现上述四个方程具有对偶性，即将E和H互换，ε
和－μ互换，方程的表达形式不变。所以求解磁对称振子产 生的电磁场，其结果和电对称振子的结果类似，只是将原来 的电场变为磁场，原来的磁场变为电场，当然还有些符号的 变动。具体可参阅参考书目。 根据前面的介绍，长度为2l的对称振子的辐射场为
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图7－3
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实验证明，沿波导缝隙的电场分布与理想缝隙的几乎一
样，近似为正弦分布，但由于波导缝隙是开在有限大的波导 壁上的，辐射受没有开缝的其他三面波导壁的影响，因此是 单向辐射。 单缝隙天线的方向性是比较弱的，为了提高天线的方向 性，可在波导的一个壁上开多个缝隙组成天线阵。这种天线 阵的馈电比较方便，其天线和馈线集于一体。适当改变缝隙 的位置和取向就可以改变缝隙的激励强度，以获得所需要的 方向性。其缺点是频带比较窄。
项目七 用HFSS仿真波导缝隙天线
根据项目三对线天线的分析得知，电基本振子可以产生
变化的磁场，进而产生电磁波。因此理想缝隙中的电场可以 认为是某个磁对称振子（类比于电流，相当于磁流）产生的， 这样一来，对缝隙天线的分析，可转化为对磁对称振子的分 析。如图7－1(b)所示。 仔细研究自由空间里的麦克斯韦方程组，可将其分成以 H 下两组 E dl ds t L S (7－1) E ds 0
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。
图7－2
项目七 用HFSS仿真波导缝隙天线
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 子的场可以看出： （1）二者的方向相同，方向性函数都是
项目七 用HFSS仿真波导缝隙天线
为了增加缝隙天线的方向性，可在波导的同一壁上按一
定规律开多条尺寸相同的缝隙，构成波导缝隙天线阵。根据 波导内传输波的形式又可将缝隙阵天线分为谐振式缝隙天线 阵和非谐振式缝隙天线阵。谐振式缝隙天线阵波导终端通常 接短路活塞，波导内传输波的形式是驻波；非谐振式缝隙天
缝隙天线阵元的形式是多种多样的，这是由于波导场分 布的特点，使单个缝隙天线（阵元）的位置比较灵活，甚至 只要附加适当的激励元件（如插入波导内部的螺钉式金属 杆），就可使在不能辐射电磁波位置上的缝隙也变成辐射元。
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如果波导壁上所开缝隙能切割波导内壁的表面电流线，
则波导内壁电流的一部分将以位移电流的形式通过缝隙，因 而缝隙被激励，并将波导内的功率通过缝隙向空间辐射电磁 波，如图7－3中的缝1，这种缝隙称为辐射缝隙。当缝隙轴 向方向与电流线平行时，不能在缝隙区建立切向电场，因此 缝隙未被激励，不能向外辐射功率，这种缝隙称为非辐射缝 隙，如图7－3中的缝2。
(7－3)
cos( l cos ) cos( l ) F ( ) sin
(7－4)
项目七 用HFSS仿真波导缝隙天线
由于理想缝隙天线与板状对称振子具有对偶性。因此，
cos( l cos ) cos( l ) F ( , ) sin
(7－5)
与对称振子一样，常用的缝隙天线是半波缝隙，即l=λ/4， 将其代入式(7－5)得
cos cos 2 F ( , ) sin
(7－6)
在包含缝隙轴线的平面内，方向图是“8”字形；在垂直 于缝隙轴线的平面内，方向图是圆形。
项目七 用HFSS仿真波导缝隙天线
7.1.3 用HFSS仿真计算波导缝隙天线
任务要求：仿真波导缝隙天线的特性参数。 测试设备：计算机、HFSS软件。 设计步骤 1.初始步骤 (1)打开软件AnsoftHFSS。 点击Start按钮，选择Program，然后选择Ansoft/HFSS11， 点击HFSS11。
理想缝隙天线的横向尺寸远小于波长，纵向尺寸通常为λ/2。
项目七 用HFSS仿真波导缝隙天线
设yOz为无限大和无限薄的理想导电平板，在此面上沿z
轴开一个长为2l、宽为W（W<<λ）的缝隙。根据电磁场在金 属表面的分布特点，只可能存在平行于金属表面的磁场和垂 直于金属表面的电场。所以缝隙中的场可近似地认为是由金 属表面的磁场感应出来的，是垂直于缝隙的长边的电场，如 果不忽略短边处的边界条件限制，其分布可挖为如图7－1(a) 所示。这个电场可以向外辐射电磁波，具有天线的功能，所 以叫缝隙天线。
项目七 用HFSS仿真波导缝隙天线
项目七
用HFSS仿真波导缝隙天线
7.1 缝隙天线 7.2 带天线
项目七 用HFSS仿真波导缝隙天线
7.1 缝隙天线
7.1.1 理想缝隙天线
常见缝隙天线就是在波导壁上开有缝隙，以用来辐射或 接收电磁波的天线。在研究实际的缝隙天线之前，先讨论在
无限大和无限薄的理想导电平板上的缝隙——理想缝隙天线。
项目七 用HFSS仿真波导缝隙天线 （2）二者的主平面互换了位置，包含缝隙轴线的平面 是H面，而垂直于缝隙轴线的平面是E面。因此，垂直缝隙 （缝隙轴线在垂直方向）是水平极化的，水平缝隙是垂直极 化的。
项目七 用HFSS仿真波导缝隙天线
7.1.2 波导缝隙天线
在波导壁的适当位置和方向上开的缝隙也可以有效地辐 射和接收无线电波，这种开在波导上的缝隙称为波导缝隙天 线。 常见的波导缝隙天线是由开在矩形波导壁上的缝隙构成 的。波导缝隙要成为有效的天线必须选择适当的位置和方向。 波导上的缝隙是不需要另外的馈线的，它辐射的能量来自波 导内的电磁波。设矩形波导传输TE10波，其内壁的电流如图 7－3所示。
E H dl ds t L S
S
(7－2)
H ds 0
S
项目七 用HFSS仿真波导缝隙天线
图7－1
项目七 用HFSS仿真波导缝隙天线
我们发现上述四个方程具有对偶性，即将E和H互换，ε
和－μ互换，方程的表达形式不变。所以求解磁对称振子产 生的电磁场，其结果和电对称振子的结果类似，只是将原来 的电场变为磁场，原来的磁场变为电场，当然还有些符号的 变动。具体可参阅参考书目。 根据前面的介绍，长度为2l的对称振子的辐射场为
项目七 用HFSS仿真波导缝隙天线
图7－3
项目七 用HFSS仿真波导缝隙天线
实验证明，沿波导缝隙的电场分布与理想缝隙的几乎一
样，近似为正弦分布，但由于波导缝隙是开在有限大的波导 壁上的，辐射受没有开缝的其他三面波导壁的影响，因此是 单向辐射。 单缝隙天线的方向性是比较弱的，为了提高天线的方向 性，可在波导的一个壁上开多个缝隙组成天线阵。这种天线 阵的馈电比较方便，其天线和馈线集于一体。适当改变缝隙 的位置和取向就可以改变缝隙的激励强度，以获得所需要的 方向性。其缺点是频带比较窄。
项目七 用HFSS仿真波导缝隙天线
根据项目三对线天线的分析得知，电基本振子可以产生
变化的磁场，进而产生电磁波。因此理想缝隙中的电场可以 认为是某个磁对称振子（类比于电流，相当于磁流）产生的， 这样一来，对缝隙天线的分析，可转化为对磁对称振子的分 析。如图7－1(b)所示。 仔细研究自由空间里的麦克斯韦方程组，可将其分成以 H 下两组 E dl ds t L S (7－1) E ds 0
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。
图7－2
项目七 用HFSS仿真波导缝隙天线
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 子的场可以看出： （1）二者的方向相同，方向性函数都是
项目七 用HFSS仿真波导缝隙天线
为了增加缝隙天线的方向性，可在波导的同一壁上按一
定规律开多条尺寸相同的缝隙，构成波导缝隙天线阵。根据 波导内传输波的形式又可将缝隙阵天线分为谐振式缝隙天线 阵和非谐振式缝隙天线阵。谐振式缝隙天线阵波导终端通常 接短路活塞，波导内传输波的形式是驻波；非谐振式缝隙天
缝隙天线阵元的形式是多种多样的，这是由于波导场分 布的特点，使单个缝隙天线（阵元）的位置比较灵活，甚至 只要附加适当的激励元件（如插入波导内部的螺钉式金属 杆），就可使在不能辐射电磁波位置上的缝隙也变成辐射元。
项目七 用HFSS仿真波导缝隙天线
如果波导壁上所开缝隙能切割波导内壁的表面电流线，
则波导内壁电流的一部分将以位移电流的形式通过缝隙，因 而缝隙被激励，并将波导内的功率通过缝隙向空间辐射电磁 波，如图7－3中的缝1，这种缝隙称为辐射缝隙。当缝隙轴 向方向与电流线平行时，不能在缝隙区建立切向电场，因此 缝隙未被激励，不能向外辐射功率，这种缝隙称为非辐射缝 隙，如图7－3中的缝2。