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
7
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
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。
波导缝隙天线的设计和仿真
波导缝隙天线的设计和仿真波导馈电的缝隙阵天线自第二次世界大战以后有很大发展。
它广泛用于各种领域：1、地面、舰载、机载雷达2、导航雷达3、气象雷达4、雷达信标天线LL………………………………特别最近十几年，随着对雷达抗干扰要求的提高、脉冲多普勒可视雷达的发展，要求天线应具有低副瓣或极低副瓣的性能，使波导缝隙天线成为此项要求的优选形式。
同时随着各种计算机辅助技术的发展，如数控机床的使用，天线的整体焊接技术等，为波导缝隙天线的使用创造了基础。
波导缝隙构成的阵列主要有两种形式，即波导宽边开缝和波导窄边开缝，我们本次主要向大家介绍的是波导宽边开缝而构成的波导缝隙天线阵的设计与仿真。
波导宽边纵缝阵列天线不但具有口面效率高、副瓣电平低等优良的电气性能，而且还有厚度小、重量轻、结构紧凑、强度高、安装方便、抗风力强、功率容量大等特点，从而在机载火控雷达、导弹巡航等方面有着其它天线无法替代的优势。
下面是几个波导宽边缝隙构成的阵列在实际中的应用实例。
主要讨论的内容：1.波导缝隙天线的设计基础理论2.波导缝隙行波线阵天线的设计和仿真3.波导缝隙驻波线、面阵天线的设计和仿真4.波导缝隙天线的Ansoft HFSS的实例设计和仿真（一）波导缝隙阵天线设计的基础理论本章中您主要的目标是：1.熟悉波导缝隙天线的基本概念。
2.了解波导缝隙的基本等效电路。
3.理解波导缝隙天线的基本电参数和缝隙阵列的构成。
4.知道波导缝隙天线的基本设计过程。
把一根波导放在自由空间，在波导输入端输入信号，波导终端接匹配负载。
如果在波导宽边或窄边上切割一个窄的缝隙，此缝隙切断波导壁上的传导电流，在缝隙上将产生电场，且对波导内壁电流产生扰动，并从波导内耦合部分电磁能量向自由空间辐射。
随着缝隙切割在波导壁的位置不同，形成不同的缝隙形式。
若缝隙的几何尺寸、其在波导上的位置以及在波导中传送能量确定，则缝隙辐射能量的幅度及相位就确定了。
一般在工程应用中，只要提到波导缝隙的设计，就会想到缝隙的等效电路。
实验八-波导缝隙阵天线的设计与仿真
实验八 波导缝隙阵天线的设计与仿真一、实验目的1.设计一个波导缝隙阵天线2.查看并分析波导缝隙阵天线的二、实验设备装有HFSS 13.0软件的笔记本电脑一台三、实验原理波导缝隙阵具有口面效率高、副瓣电平低等优良的性能。
这里考虑宽边纵向谐振式驻波阵列，每个缝隙相距0.5λg ，距离波导宽边中心有一定偏移。
Stevenson 给出宽边上纵向并联缝隙的电导为()a x g g π21sin =()()g g b a g λλπλλ2cos 09.221=其中，x 为待求的偏移，a 为波导内壁宽边长度，λg 为波导波长。
在具体的设计中，可以利用HFSS 的优化功能来确定缝隙的谐振长度。
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 ，缝隙的长度L ，缝隙的宽度W 等。
一般可根据实际的加工确定出缝隙的宽度W ，应用HFSS 的优化功能得出缝隙的偏移量Offset 和缝隙长度Length 。
如图1所示，在波端口的Y 矩阵参数可以等效于距检测端口的1/2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。
单缝谐振长度优化示意图如下：设计一个由20个缝隙组成的缝隙阵，采用Chebyshev 电流分布，前10个缝的电平分布如下：n 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 a n0.33 0.29 0.39 0.50.62 0.73 0.83 0.91 0.971.0根据电平分布进行归一化：∑==101212n naK短路波端口g λ41g λ21L可以得到K=0.100598。
由下式可以得到各个缝隙的导纳值:gn=Ka2n 各个缝隙的导纳如下：g_1=0.010955，g_2=0.00846 g_3=0.0153，g_4=0.0265 g_5=0.03867，g_6=0.0536 g_7=0.0693，g_8=0.0833 g_9=0.09465，g_10=0.100598选用WR-9型波导，其波导尺寸为：宽边a=22.86mm ，窄边b=10.16mm 。
波导缝隙阵天线
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。
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
天线原理与设计—缝隙天线和波导缝隙天线阵
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 。
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。
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
向辐射缝隙天线的两倍，约为1000Ω
缝隙天线
•式中Em为缝隙中波腹处的场强值。 式中 为缝隙中波腹处的场强值。
一般：缝隙的宽度 远小于波长 而其长度2l为 。 远小于波长， 一般：缝隙的宽度w远小于波长，而其长度 为λ/2。
不论激励（实际缝隙是由外加电压或电场激励的）方式如何 不论激励（实际缝隙是由外加电压或电场激励的）方式如何, 缝隙中的场总垂直于缝的长边, 如图（ ）所示。 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， 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。 ）所示。 与之相对偶的是尺寸相同的板状对称振子，如图（ ）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。
–对于远场，可以将缝隙视为线状磁对称振子，根据与全电 对于远场，可以将缝隙视为线状磁对称振子， 流定律对偶的全磁流定律，即磁流回路定理： 流定律对偶的全磁流定律，即磁流回路定理：
半空间， 轴上的等效磁流强度为 轴上的等效磁流强度为： –可得在x>0半空间，z轴上的等效磁流强度为： 可得在 半空间
–由电磁场的对偶原理，磁对称振子的辐射场可由电对称振 由电磁场的对偶原理， 子的辐射场直接写出： 子的辐射场直接写出：
–由电对称振子辐射功率与辐射电阻的关系： 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 使两辐射功率相等， 系：
–因此，理想半波缝隙天线的辐射电阻为： 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： 与之对应的辐射电导：
•辐射阻抗和输入阻抗： 辐射阻抗和输入阻抗： 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 可由上两互补天线的辐射电阻公式， 电阻公式 和输入阻抗（不是纯电阻） 和输入阻抗（不是纯电阻）。
天线9_缝隙.微带贴片天线
窄边斜半波谐振缝隙
x1 b
计算任意缝隙的等效 阻抗或导纳是一个极复杂
的问题，也没有其等效电
g
路的一般公式，等效电路 的参数可以由实验来决定。
(c)
其归一化电导为
sin cos( sin ) 3 g 2 g g 0.131 3 [ sin ]2 ab 1 ( sin ) g
缝隙天线ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
辐射功率与辐射电导
波导缝隙天线和理想缝隙天线的辐射空间不同，波导 缝隙天线的辐射功率相当于理想缝隙天线的一半，因此 波导缝隙天线的辐射电导也就为理想缝隙天线的一半。 对于半波谐振波导缝隙，其辐射电导为
Gr,m≈0.001S
波导上的辐射缝隙给波导内的传输带来的影响，不 仅是将传输的能量经过缝隙辐射出去，还引起了波导内 等效负载的变化，从而引起波导内部传输特性的变化。 根据波导缝隙处电流和电场的变化，可以把缝隙等效成 传输线中的并联导纳或串联阻抗，从而建立起各种波导 缝隙的等效电路。
由微波技术知识可知，波导可以等效为双线传输 线，所以波导上的缝隙可以等效为和传输线并联或串 联的等效阻抗。 宽壁横缝截断了纵向电流，因而纵向电流以位移 电流的形式延续，其电场的垂直分量在缝隙的两侧反 相，导致缝隙的两侧总电场发生突变，故此种横缝可 等效成传输线上的串联阻抗。
横向 缝隙
b
波导宽壁横缝附近的电场
波导宽壁纵缝却使得横向电流向缝隙两端分流，因而造 成此种缝隙两端的总纵向电流发生突变，所以矩形波导宽壁 纵缝等效成传输线上的并联阻抗或导纳。
纵 向 电 流 横 向 电 流
a 纵 向 缝 隙
波导宽壁纵缝附近的电流
若某种缝隙同时引起纵向电流和电场的突变，则可以把 它等效成一个四端网络。
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：
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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