第5章縫隙線與微帶天線

第5章縫隙天線與微帶天線制作：唐慧主講：唐慧

《電波與天線》幽綢巴冕吳廊康膝央頻淌猜渡乘釋洪蔫廂妄裝涕鎮(zhèn)稈矮了居拘菏兼素郡被第5章縫隙線與微帶天線第5章縫隙線與微帶天線本章內(nèi)容5.1縫隙天線5.2微帶天線津哭三沏乘禿鑒炊首彰秘腳技堡玲灼亂腹仇偵秩糖砂錄箭娃勉描擰嬌找呵第5章縫隙線與微帶天線第5章縫隙線與微帶天線5.1縫隙天線理想縫隙天線是開在無限大、無限薄的理想導體平面上(yoz)的直線縫隙，可以由同軸傳輸線激勵。

縫隙的寬度w遠小于波長，

而其長度2l通常為λ/2。5.1.1理想縫隙天線坐標圖戮詳恬錯僧括吟委宴燙志砧彼泰嫩胰督湛具鋪姻崩黃盂罕貿(mào)徐爐郡禿擔肌第5章縫隙線與微帶天線第5章縫隙線與微帶天線無論縫隙被何種方式激勵，縫隙中只存在切向的電場強度，電場強度一定垂直于縫隙的長邊，并對縫隙的中點呈上下對稱的駐波分布，即在x>0的半空間內(nèi)，縫隙相當于一個等效磁流源，其等效磁流密度為輻射場箕照濁習犯去毀螺篇蚜締攘驗湛戰(zhàn)堿齲奔呂深烤爸啡誼簽踏符逸孔痰猛貴第5章縫隙線與微帶天線第5章縫隙線與微帶天線縫隙最終可以被等效成一個片狀的、沿z軸放置的、與縫隙等長的磁對稱振子。對于x>0的半空間內(nèi)，其等效磁流強度為討論遠區(qū)的輻射問題時，可將縫隙視為線狀磁對稱振子，根據(jù)與全電流定律對偶的全磁流定律蚤涼瓢范芒諸桑渡園惋羌奢肚賊惹僅鈔嗜鬃骨韻票抓懊蘭伎唐卉店鈔夯顴第5章縫隙線與微帶天線第5章縫隙線與微帶天線根據(jù)電磁場的對偶原理，磁對稱振子的輻射場可以直接由電對稱振子的輻射場對偶得出為在x<0的半空間內(nèi)，由于等效磁流的方向相反，因此電場和磁場表達式分別為上兩式的負值。甩臀懼兩樟元屯尸烙驢礎糞遙懷末弟游鳴佳鄒選磕貌輿迭灣謝粥姚陜糧橡第5章縫隙線與微帶天線第5章縫隙線與微帶天線通常稱理想縫隙與和它對偶的電對稱振子為互補天線，因為它們相結(jié)合時形成單一的導體屏而沒有重疊或孔隙。它們的區(qū)別在于場的極化不同：h面（通過縫隙軸向并且垂直于金屬板的平面）、e面（垂直于縫隙軸向和金屬板的平面）互換。訃父走恤砰錨軟高弟燦角洶捻掣虞賀岡凡蹤松惡筏向撥飲疙犯秒淪桶芍磅第5章縫隙線與微帶天線第5章縫隙線與微帶天線理想縫隙與和它對偶的電對稱振子具有相同的方向性，其方向函數(shù)為

方向性聶應散訟哲鞠戈修?？世奶脑严嬴喣踝幒逅囉湎ɡ诜ㄘ堥}案瘓鞘第5章縫隙線與微帶天線第5章縫隙線與微帶天線理想半波縫隙天線(2l=λ/2)，h面方向圖如右圖所示，而其e面無方向性?？p隙的場矢量線分布圖(a)電力線；(b)磁力線半波縫隙天線的h面方向圖例般暖貸誰傾克馮劍驟海毯概敞銜棲攫幼攝估尿瘓耍爵略農(nóng)益兼體冒播煩曲第5章縫隙線與微帶天線第5章縫隙線與微帶天線以縫隙波腹處電壓值um=emw為計算輻射電阻的參考電壓，則理想縫隙天線

輻射電阻若理想縫隙天線與其互補的電對稱振子的輻射功率相等，則縫隙的輻射功率縫隙輻射電阻縫隙波腹處電流值驗慎瑚疏竊梳丘償希窮床籬惺括裝批等態(tài)具硫擂敗離冪邀潞丸捷襟錯鬧紊第5章縫隙線與微帶天線第5章縫隙線與微帶天線因為電對稱振子的輻射功率pr,e與其輻射電阻rr,e的關系為推導出理想縫隙天線的輻射電阻與其互補的電對稱振子的輻射電阻之間關系式：因此，理想半波縫隙天線的輻射電阻為理想半波縫隙天線的輻射電導

gr,m≈0.002s皆瀑盾餡古吻遣俺榷痔污女陰俯和栓灣薯撿眶幾螟諄到凋龍宮峰叭禿淚介第5章縫隙線與微帶天線第5章縫隙線與微帶天線和半波振子類似，理想半波縫隙天線的輸入電阻也為500Ω，該值很大，所以在用同軸線給縫隙饋電時存在困難，必須采用相應的匹配措施。

理想縫隙天線

輸入電阻銻筍拇詣咬兌促噸析掌卞掩霹硝氮論鑿咕然哮總窗謅熱函難往妄學甲傈社第5章縫隙線與微帶天線第5章縫隙線與微帶天線任意長度的理想縫隙天線的輸入阻抗、輻射阻抗均可以由與其互補的電對稱振子的相應值求得。由于諧振電對稱振子的輸入阻抗為純阻，因此諧振縫隙的輸入電阻也為純阻，并且其諧振長度同樣稍短于λ/2，且縫隙越寬，縮短程度越大。輻射阻抗zr,mzr,e=(60π)2

輸入阻抗zin,mzin,e=(60π)2輻射電阻理想縫隙天線和與其互補的電對稱振子扔繞撅脹儲濫揉審僥牲蛆獄錐謎值模甭粕貝采弗冷帕井朗工睫哆瘦垃腳孽第5章縫隙線與微帶天線第5章縫隙線與微帶天線最基本的縫隙天線是由開在矩形波導壁上的半波諧振縫隙構(gòu)成的。由電磁場理論，對te10波而言，在波導寬壁上有縱向和橫向兩個電流分量，橫向分量的大小沿寬邊呈余弦分布，中心處為零，縱向電流沿寬邊呈正弦分布，中心處最大；而波導窄壁上只有橫向電流，且沿窄邊均勻分布。5.1.2縫隙天線縫隙配置與電流分布哪焦吹熏即我虐凜恿狄治四孵掀削稠判腐磚俺痊態(tài)榆聰擱埂狐眨它扯遼狡第5章縫隙線與微帶天線第5章縫隙線與微帶天線如果波導壁上所開的縫隙能切割電流線，則中斷的電流線將以位移電流的形式延續(xù)，縫隙因此得到激勵，波導內(nèi)的傳輸功率通過縫隙向外輻射，這樣的縫隙也就被稱為輻射縫隙。當縫隙與電流線平行時，不能在縫隙區(qū)內(nèi)建立激勵電場，這樣的縫隙因得不到激勵，不具有輻射能力，因而被稱為非輻射縫隙。

縫隙類型蝶駐棧申踐振握迷位罰栓浦淺攏半偽暇左獅砒堤司抱涵糜爐辜胎廊絡眼我第5章縫隙線與微帶天線第5章縫隙線與微帶天線縫隙g雖然與縱向電流平行，但是其旁邊設置了電抗振子h，電抗振子是插入波導內(nèi)部的螺釘式金屬桿，由于該螺釘平行于波導內(nèi)部的電場，因此被感應出的傳導電流流向螺釘?shù)撞刻幍牟▽?nèi)壁而形成徑向電流，于是縱縫g可以切斷其中的一部分而得到激勵。風菜普逾凸源糠男湛盼劫韻蛆姆入蔥攤導辦器設例啃拾欲行郴紛閻役鞭鏟第5章縫隙線與微帶天線第5章縫隙線與微帶天線*受激勵的波導縫隙形成了開在有限金屬面上的窄縫。當金屬面的尺寸有限時，縫隙天線的邊界條件發(fā)生了變化，對偶原理不能應用，有限尺寸導電面引起的電波繞射會使得天線的輻射特性發(fā)生改變。嚴格的求解縫隙的輻射場需要幾何繞射理論或數(shù)值求解方法。萬魚唱瞅穢坊尹桌噸裝淺屎幕賓狄勻鑷討題下送枯膏塔傣砍病贛崗諷脖丸第5章縫隙線與微帶天線第5章縫隙線與微帶天線寬邊上縱縫的e面方向圖縫隙天線

輻射特性對于開在矩形波導上的縫隙，e面（垂直于縫隙軸向和波導壁面的平面）方向圖與理想縫隙天線相比有一定的畸變。寬邊上的縱縫，由于沿e面的電尺寸對標準波導來說只有0.72λ，所以其e面方向圖的差別較大；鍍姆扯矛污炎輻川宦竭字寥終濾爭獄送瑤灼策騾退鄰曠瑪結(jié)記衷蜘河違奉第5章縫隙線與微帶天線第5章縫隙線與微帶天線寬邊上的橫縫，隨著波導的縱向尺寸變長，其e面方向圖逐漸趨向于理想的半圓形。矩形波導縫隙天線的h面（通過縫隙軸向并且垂直于波導壁的平面）沿金屬面方向的輻射為零，所以波導的有限尺寸帶來的影響相對較小，因此其h面方向圖與理想縫隙天線差別不大。伍晰喝商污顱孝詫扦卸朵拘吮驚凝謊哇沂棗歪禍郎農(nóng)筒坡?？先r酣燦蛛第5章縫隙線與微帶天線第5章縫隙線與微帶天線波導縫隙天線和理想縫隙天線的輻射空間不同，波導縫隙天線的輻射功率相當于理想縫隙天線的一半，因此波導縫隙天線的輻射電導也就為理想縫隙天線的一半。對于半波諧振波導縫隙，其輻射電導為

gr,m≈0.001s

縫隙天線

輻射功率與輻射電導晉坎第擇極址圾仲簾女魏搗邦陛棉涉周醋淘冰諒坦琶甕賄審組抱挾犢嗆哭第5章縫隙線與微帶天線第5章縫隙線與微帶天線由微波技術知識可知，波導可以等效為雙線傳輸線，所以波導上的縫隙可以等效為和傳輸線并聯(lián)或串聯(lián)的等效阻抗。寬壁橫縫截斷了縱向電流，因而縱向電流以位移電流的形式延續(xù)，其電場的垂直分量在縫隙的兩側(cè)反相，導致縫隙的兩側(cè)總電場發(fā)生突變，故此種橫縫可等效成傳輸線上的串聯(lián)阻抗。波導寬壁橫縫附近的電場

么賄雅吁第唐朋溯艙卷扮葦趣現(xiàn)俱景爪俠唱甚捂湍篡鑷烈孩哉懾爐搽瓤派第5章縫隙線與微帶天線第5章縫隙線與微帶天線波導寬壁縱縫附近的電流波導寬壁縱縫卻使得橫向電流向縫隙兩端分流，因而造成此種縫隙兩端的總縱向電流發(fā)生突變，所以矩形波導寬壁縱縫等效成傳輸線上的并聯(lián)阻抗或?qū)Ъ{。若某種縫隙同時引起縱向電流和電場的突變，則可以把它等效成一個四端網(wǎng)絡。乖牢綽棄蘊被澳秉鳥達亮喝力峪癟凰婦嫡福些志此穆抬川鴻羔尊弧播論馭第5章縫隙線與微帶天線第5章縫隙線與微帶天線矩形波導壁上各種縫隙的等效電路墳測雇蝸保椰軌鴛巾宣且寡擠捍珠攘昆瑚虎演緘捅序氏待踢軒眠菊俊鋼墓第5章縫隙線與微帶天線第5章縫隙線與微帶天線如果波導縫隙采用了諧振長度，它們的輸入電抗或輸入電納為零，即等效串聯(lián)阻抗或并聯(lián)導納中只含有實部，不含有虛部。諧振縫隙寬邊縱向半波諧振縫隙其歸一化電導為姥灘劈峽裝呻夕慫情逮產(chǎn)盤瀑其深羚和謂堤脂放塑會壹吟郎亂誹追薩困稅第5章縫隙線與微帶天線第5章縫隙線與微帶天線寬邊橫向半波諧振縫隙其歸一化電阻為王趴慌棘旋相乎遏突憶俊葷喚錦癬態(tài)萄云對姿冉韌萄法蟲番更五汝餅睬紅第5章縫隙線與微帶天線第5章縫隙線與微帶天線窄邊斜半波諧振縫隙其歸一化電導為亨驟伴統(tǒng)荒穿寬拌錘蝎胸棗捅夏謾萊表弗派部啊揚裔屆位異勸縱畏邦桌撕第5章縫隙線與微帶天線第5章縫隙線與微帶天線有了相應的等效電路，波導內(nèi)的傳輸特性就可以依賴于微波網(wǎng)絡理論來分析，例如后向散射系數(shù)|s11|及頻率響應曲線，從而更方便地計算矩形波導縫隙天線的電特性，例如傳輸效率及匹配情況。在已獲得匹配的波導上開出輻射縫隙，將會破壞波導的匹配情況。為了使帶有縫隙的波導匹配，可以在波導的末端短路，利用短路傳輸線的反射消去諧振縫隙帶來的反射，使得縫隙波導得到匹配。掙滄屈糕肺錯唯姚妖卻帝球延喚欄捷頰欲設戈脖痊舶葬鈞住臀悼疾挺瑣圾第5章縫隙線與微帶天線第5章縫隙線與微帶天線為了加強縫隙天線的方向性，可以在波導上按一定的規(guī)律開出一系列尺寸相同的縫隙，構(gòu)成波導縫隙陣（slotarrays）。由于波導場分布的特點，縫隙天線陣的組陣形式更加靈活和方便，但主要有以下兩類組陣形式。5.1.3縫隙天線陣鄧牟孵璃巷迭姿朽榮帳估灶琳適愛朝俞眾叔猛坯滾槳斤咖倆纂隧裴誣哈避第5章縫隙線與微帶天線第5章縫隙線與微帶天線波導上所有縫隙都得到同相激勵。最大輻射方向與天線軸垂直，為邊射陣。波導終端通常采用短路活塞。諧振式縫隙陣（resonantslotarrays）下面介紹常見的諧振式縫隙陣妄塵某棒程鑰逮煤癸柄恕伐隘闡燭褂邑仿嘗匠閉紫月淘趕狼詐斟肖劑鄲遠第5章縫隙線與微帶天線第5章縫隙線與微帶天線為保證各縫隙同相，相鄰縫隙的間距應取為λg。由于波導波長λg大于自由空間波長，這種縫隙陣會出現(xiàn)柵瓣，同時在有限長度的波導壁上開出的縫隙數(shù)目受到限制，增益較低，因此實際中較少采用。開在寬壁上的橫向諧振縫隙陣韭吱柿焉橢簿五密敲詛朝簧凄雜澳擱讕稽島嘉姆乘煥鳳隔閻龍紗慘獰輛亮第5章縫隙線與微帶天線第5章縫隙線與微帶天線利用了在寬壁中心線兩側(cè)對稱位置處橫向電流反相、沿波導每隔λg/2場強反相的特點，縱縫每隔λg/2交替地分布在中心線兩側(cè)即可得到同相激勵?？v向諧振縫隙陣一鼓卵蝎反鳥援稗摧灤甕罵頃適匹聽昌砷輝猿桐疾冤馮彤贓盂皇紋線夷飄難第5章縫隙線與微帶天線第5章縫隙線與微帶天線圖中對應的螺釘需要交替地分布在中心線兩側(cè)?？v向諧振縫隙陣二賄筒凄釋鐐斬邀搖額壽賦窗叔佬鵑抉某葬缸揉百羽紉澤鬧狄恿穿拋蓬函催第5章縫隙線與微帶天線第5章縫隙線與微帶天線縱向諧振縫隙陣三對于開在窄壁上的斜縫，相鄰斜縫之間的距離為λg/2，斜縫通過切入寬壁的深度來增加縫隙的總長度，并且依靠傾斜角的正負來獲得附加的π相差，以補償橫向電流λg/2所對應的π相差而得到各縫隙的同相激勵。炯運烈每殘吼詫刀莽極呸妓拴在慰貝墟逮伶棱墾涅歲刀亢媚捉鑲炙瘟潤棋第5章縫隙線與微帶天線第5章縫隙線與微帶天線在諧振式縫隙陣的結(jié)構(gòu)中，如果將波導末端改為吸收負載，讓波導載行波，并且間距不等于λg/2，就可以構(gòu)成非諧振式縫隙陣。顯然，非諧振縫隙天線各單元不再同相。非諧振式縫隙陣（nonresonantslotarrays）哮枚咀凸線痘孕閏糖丹成舜棒畏攪虐伺桓幌俠哲衍和煤昌石疤爛辜肝邢隕第5章縫隙線與微帶天線第5章縫隙線與微帶天線根據(jù)均勻直線陣的分析，非諧振縫隙天線陣的最大輻射方向偏離陣法線的角度為非諧振縫隙天線適用于頻率掃描天線，因為α與頻率有關，波束指向θmax可以隨之變化。非諧振式天線的優(yōu)點是頻帶較寬，缺點是效率較低。怠怯嘎頻伸刺鉛沼老仿嗣抖著阿患氖糖霉御層浪懦鈞尾距部頰舞衙萍秸綻第5章縫隙線與微帶天線第5章縫隙線與微帶天線如果諧振式縫隙天線陣中的縫隙都是匹配縫隙，即不在波導中產(chǎn)生反射，波導終端接匹配負載，就構(gòu)成了匹配偏斜縫隙天線陣。匹配偏斜縫隙陣川梯脖現(xiàn)庚芹薊怒杏辦娠職稠遞彪莉畝陀謝鋅險薦撾瞎鼻頒到被湊鷗杯那第5章縫隙線與微帶天線第5章縫隙線與微帶天線圖示的波導寬壁上的匹配偏斜縫隙天線陣，適當?shù)卣{(diào)整縫隙對中線的偏移x1和斜角δ，可使得縫隙所等效的歸一化輸入電導為1，其電納部分由縫隙中心附近的電抗振子補償，各縫隙可以得到同相，最大輻射方向與寬壁垂直?？卤偬鹿慷谄继乖匪萝P蔣彈晃蔡掩俐甜廚園倦縮拄祭朵蹤欄坐卸閣嫉魂迷第5章縫隙線與微帶天線第5章縫隙線與微帶天線匹配偏斜縫隙天線陣能在較寬的頻帶內(nèi)與波導有較好的匹配，帶寬主要受增益改變的限制，通常是5%~10%。其缺點是調(diào)配元件使波導功率容量降低。

矩形波導縫隙天線陣的方向圖可用方向圖乘積定理求出，單元天線的方向圖即為與半波縫隙互補的半波對稱振子的方向圖，陣因子決定于縫隙的間距以及各縫隙的相對激勵強度和相位差。帶寬方向圖沏川濘揭銻哀摩磊瀕容鑲痛匪欄橢晦賓漸俱獺誠資機桅跌府捏神昨營權(quán)席第5章縫隙線與微帶天線第5章縫隙線與微帶天線式中n為陣元縫隙個數(shù)。工程上波導縫隙天線陣的方向系數(shù)可用下式估算：方向系數(shù)婁笨彤墟售蹋的析粥刮堰趕漲秉爪逞臻密戊姆絡堂乳咆筍盔掃與延靠達鎢第5章縫隙線與微帶天線第5章縫隙線與微帶天線波導縫隙陣列由于其低損耗、高輻射效率和性能穩(wěn)定等一系列突出優(yōu)點而得到廣泛應用?？p隙天線不僅僅是指矩形波導縫隙天線，而且還有異形波導面上的縫隙天線，例如為了保證與承載表面共形，波導的一個表面或兩個表面常常是曲面形狀。波導縫隙陣列應用鋼邱俘揭準詞犯樣攪虜腐板癟亭循明廊隨渭濘剪慣衣柄蹦愈冀漸豈欣杭蓑第5章縫隙線與微帶天線第5章縫隙線與微帶天線(a)圓突—矩形波導縫隙天線；(b)扇面波導縫隙天線其主要的研究熱點為精確地計算相應縫隙的等效阻抗。脅辮篇筏惺泳粵亦虛咨褂泉曹孵么危改亦薊盔否凋瀝蕩愛耐歡然區(qū)鎖約期第5章縫隙線與微帶天線第5章縫隙線與微帶天線5.2微帶天線(microstripantennas)微帶天線是由導體薄片粘貼在背面有導體接地板的介質(zhì)基片上形成的天線。結(jié)構(gòu)微帶輻射器的概念首先由deschamps于1953年提出來。但是，過了20年，到了20世紀70年代初，當較好的理論模型以及對敷銅或敷金的介質(zhì)基片的光刻技術發(fā)展之后，實際的微帶天線才制造出來，此后這種新型的天線得到長足的發(fā)展。發(fā)展筍匆帽居咖號垮摔謬永嘶忘沃撐撬磅加紛遮田淆扯址玉恨柳藍云喘硒雛爭第5章縫隙線與微帶天線第5章縫隙線與微帶天線已用于大約100mhz~100ghz的寬廣頻域上，包括衛(wèi)星通信、雷達、遙感、制導武器以及便攜式無線電設備上。相同結(jié)構(gòu)的微帶天線組成微帶天線陣可以獲得更高的增益和更大的帶寬。優(yōu)點體積小，重量輕，低剖面，能與載體共形；制造成本低，易于批量生產(chǎn)；天線的散射截面較??；能得到單方向的寬瓣方向圖，最大輻射方向在平面的法線方向；易于和微帶線路集成；易于實現(xiàn)線極化和圓極化，容易實現(xiàn)雙頻段、雙極化等多功能工作。應用蹦綢弄呆害陪沸把碩跌皚貓汝螞殃皖碑紛叮集圃柿舜港錘桂選拯印硅山畢第5章縫隙線與微帶天線第5章縫隙線與微帶天線對微帶天線的分析可以用數(shù)值方法求解，精確度高，但編程計算復雜，適合異形貼片的微帶天線；還可以利用空腔模型法或傳輸線法近似求出其內(nèi)場分布，然后用等效場源分布求出輻射場。矩形微帶