天线原理与设计—缝隙天线和波导缝隙天线阵
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。
SIW缝隙阵天线
6
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。
对一端馈电的缝隙阵列， 所有归一化缝隙谐振电导 的总和必须等于1
7
16x16 SIW缝隙阵天线
E field
3D radiation pattern
3
SIW等效矩形波导
经验公式： a 其中：a
RWG
aa
p 2 3 1 d 3 1
0.3465.0198
2 0.1183
1.2729 a / p 1.2010
3 1.0082
0.9163 a / p 0.2152
8
16x16 SIW缝隙阵天线
16x16阵列SIW缝隙天线实物
H-plane (Gain=24.5 dB)
E-plane
9
基于SIW的11GHz 无线通信RF子系统
10
3.6GHz 1x4 SIW谐振式缝隙阵天线
11
3.6GHz 1x4 SIW谐振式缝隙阵天线
12
基于SIW（基片集成波导） 的缝隙阵天线设计
1
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
2
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）
矩形波导仿真
SIW仿真
4
微带－SIW过渡
Ke Wu, Integrated Microstrip and Rectangular Waveguide in Planar Form, IEEE MWCLS, Vol. 11, No. 2, 2001
基片集成波导缝隙天线阵设计说明
基片集成波导缝隙天线阵设计11040118 周扬§ 1.1 基片集成波导简介§ 1.1.1 应用需求背景目前高频高增益的天线主要应用于以下领域：1.军用的雷达天线系统。
2.机动车防撞击。
3.移动基站间的射频入口系统。
4.毫米波射频前端系统。
5.高速无线局域网。
一般来说，天线效率取决于天线的馈电系统，而辐射单元决定了其造价。
基于微带线适合于平面设计，并且易于与有源器件连接，具有很高的系统集成度等等优点，从而得到了广泛的实际应用。
但是微带线也有很多弱点和不足，比如说介质损耗、导体损耗以及辐射损耗相对较大等等，所以制作的天线效率一般较低，尤其在高频时，表现特别明显。
研究发现，波导损耗相对较低，又由于波导缝隙适合于波导结构，波导缝隙天线就成为设计高增益天线的理想形式。
其更大的优点在于随着频率的升高，波导缝隙天线依然可以保持很高的效率。
然而波导是一种立体的刚性结构，虽然解决了微带线效率问题，但是难以和有源器件有效集成，丧失了微带线易于集成的优势；另外波导缝隙天线一般造价昂贵，体积、重量上比平面形式的天线要大很多。
基于以上各个方面的考虑，早在1998 年，Hirokawa 和Uchimura 提出了一种通过金属通孔阵列代替金属壁形成的结构，研究发现金属通孔的阵列可以起到和金属壁相类似的作用，从而可以把电磁波限制在一定的空间范围内向前传播，这就是基片集成波导 ( Substrate Integrated Waveguide ，SIW )结构的产生。
§1.1.2 SIW 应用和研究现状近年来，在对基片集成波导传输特性研究的基础上，SIW 的应用也得到了较为广泛的发展。
利用基片集成波导形成的无源微波器件，如定向耦合器、功分器、滤波器、天线等，都展现出了与传统意义上的矩形金属波导构建的微波器件相媲美的性能。
1．定向耦合器定向耦合器作为一种重要的无源器件被广泛地应用于现代微波毫米波通信系统，在天线阵列馈电网络中，定向耦合器是一个主要部件。
缝隙天线
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：
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
SIW缝隙阵天线精编版
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。
对一端馈电的缝隙阵列， 所有归一化缝隙谐振电导 的总和必须等于1
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16x16 SIW缝隙阵天线
E field
3D radiation pattern
基于SIW（基片集成波导） 的缝隙阵天线设计
1
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
2
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）
3
SIW等效矩形波导
经验公式： a RWG ? a a
其中：a
?
?1 ?
p d
?
?2 ?1 ? ?2 ? ?3
?3 ? ?1
?1
?
1.0198 ?
a
/
0.3465 p ? 1.0684
?2
?
? 0.1183
?
a
/
1.2729 p ? 1.2010
?3
?
1.0082
?
0.9163 a / p ? 0.2152
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16x16 SIW缝隙阵天线
16x16阵列SIW缝隙天线实物
H-plane (Gain=24.5 dB)
E-plane
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基于SIW的11GHz 无线通信RF子系统
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3.6GHz 1x4 SIW谐振式缝隙阵天线
波导缝隙天线原理与仿真
DCWTechnology Study技术研究0 引言随着电子设备技术的发展，万物互联的概念逐步实现，将所有家用的、工业的、民用的、军用的电子电气设备通过互联网实现统一的控制，而万物互联实现基础是电磁场，电磁场的实现基础是天线。
我们熟知的大哥大使用的是单极天线，现在流行的5G 手机使用的是边框天线，老式电视机上使用的是八木天线等，而缝隙天线多用于雷达、通信、导航、电子对抗等普通人很少接触的设备上，因此我们很少在日常生活中见到缝隙天线。
1 缝隙天线的类型缝隙天线是一种在导体板上开凿特定尺寸的缝隙形成的天线，导体板可以是展开的也可以是闭合的，闭合的方式主要有矩形波导、圆形波导、谐振腔等，对于平面导体板可以采用同轴线的馈电方式，对于闭合的导体板即可以采用同轴线馈电方式，也可以采用波导激励馈电方式，闭合的导体板的开槽方式多种多样，有横向、纵向、斜向等。
缝隙天线如图1所示。
波导缝隙天线作为缝隙天线的一种，具有结构简单耐用、易于安装、馈电方便等特点，其天线参数性能也很出色，能够实现高增益、控制主瓣倾角、超低副瓣，副瓣电平甚至可达到-30 dB 以下。
因此，波导缝隙天线非常适合具有流线型外形的高速飞行器，融合度比较高，如机载雷达、导航设备、通信设备等。
波导缝隙天线原理与仿真刘 建1，原 觉1，刘 巍1，李 强2（1.国家无线电监测中心检测中心，北京 100041；2.工业和信息化部机关服务局，北京 100804）摘要：文章讨论了缝隙天线的特点、结构、激励方式、原理等，通过讨论缝隙周围电场和电流分布，分析缝隙天线的辐射原理。
使用HFSS仿真软件建立缝隙天线的模型，计算电场及电流分布情况，得到缝隙天线的基本参数，验证缝隙天线原理的分析结论。
关键词：缝隙天线；电偶极子；波导管；电磁仿真doi：10.3969/J.ISSN.1672-7274.2023.08.020中图分类号：TN 82，TN 98 文献标志码：A 文章编码：1672-7274（2023）08-0061-04Principle and Simulation of Waveguide Slot AntennaLIU Jian 1, YUAN Jue 1, LIU Wei 1, LI Qiang 2(1.The State Radio_monitoring_center Testing Center, Beijing 100041, China; 2.Department ServiceBureau of the Ministry of Industry and Information Technology, Beijing 100804, China)Abstract: This paper discusses the characteristics, structure, excitation method, principle, etc. of slot antenna, and analyzes the radiation principle of slot antenna by discussing the distribution of electric field and current around the slot. The HFSS simulation software is used to build the slot antenna model, calculate the electric field and current distribution, obtain the basic parameters of the slot antenna, and verify the analysis conclusion of the slot antenna principle.Key words: slot antenna; electric dipole; waveguide; electromagnetic simulation作者简介：刘 建（1985-），男，汉族，山东人，中级工程师，硕士，研究方向为通信与网络。
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
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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 。
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。
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：
Zisn
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
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。
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
实际（有限大平面上）缝隙天线辐射场
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 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
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
Байду номын сангаас
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