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第5章 缝隙天线与微带天线解析

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缝隙天线

缝隙天线

2019/9/3
20
裂缝天线与微带天线的特点
裂缝天线与微带天线的特点 在结构上。天线元的三维尺寸一般小于波长，而且一维的尺寸（厚 度）更是远小于波长，长称为“低剖面”天线。 在工作原理上，裂缝天线看成是磁流激励的磁振子，而微带天线可 以看作是端部开缝的泄漏波介质谐振腔。 裂缝天线与微带天线的优点 这种天线的厚度极小，适宜安装在飞机和航天飞行器的壳体上，既不 向外凸出影响飞行器的空气动力特性，也不想内凹进影响其它设备 的安装。此外，这种天线还具有结构牢固，造价简单，馈电方便的 优点。 裂缝天线与微带天线的缺点 频带窄、功率容量低
2019/9/3
21
对偶
H
e t1
金属薄片振子
S1
:Etm1

0,H
m t1

0;
S2
:Etm20Hm t20;S1
:H
e t1

0Ete1

0;
S2
:H
e t2

0,te2

0;
2019/9/3
缝隙的电场边界条件与振子的磁场边界条件相同，缝 隙的磁场边界条件和振子的电场边界条件相同
5
工作在TE10模的矩形波导的壁电流分布
Js nˆ H s
2019/9/3
6
（一）谐振缝隙振
最大辐射方向
g
最大辐射方向
各个缝隙同相激励，最大辐射方向与波导的轴线垂直
2019/9/3
7
2019/9/3
8
2019/9/3
9
（二）非谐振式缝隙阵
d
d g
2
2 d g
2019/9/3
2
半波对称振子的辐射场

第5章缝隙微带天线

第5章缝隙微带天线
2 2
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

缝隙天线与微带天线

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

微带天线顶级教程

微带天线顶级教程

微带天线顶级教程微带天线§6.1 缝隙天线缝隙天线：开在波导或谐振腔上缝隙，用以辐射或接收电磁波。

6.1.1 理想缝隙天线理想缝隙天线：开在无限大、无限薄的理想导体平面上的直线缝隙，用同轴传输线激励。

假设位于yoz 平面上的无限大理想导体平面上开有宽度为ω（λω<<）、长度2/2λ=l 的缝隙。

缝隙被激励后，只存在垂直于长边的切向电场，并对缝隙的中点呈对称驻波分布，其表达示为：()()[]y m ez l k E z E ˆsin --=m E ---缝隙中间波腹处的场强值。

缝隙相当于一个磁流源，由电场分布可得到等效磁流密度为：()[]()[]⎩⎨⎧<-->-=⨯-==0,ˆsin 0,ˆsin ˆ0x e z l k E x ez l k E E nJ z mz m z m等效磁流强度为：()[]()[]⎩⎨⎧<-->-=⋅=⎰0,sin 20,sin 2x z l k E x z l k E l d E I m m l m ωω 也就是说，缝隙可等效成沿Z 轴放置的、与缝隙等长的线状磁对称阵子。

根据对偶原理，磁对称阵子的辐射场可由电对称阵子的辐射场对偶得出。

对于电对称阵子，电流分布为：)(sin )(z l k I z I -=辐射场表达式：θθθsin )cos()cos cos(60kl kl r Ie j E jkr -=- ()()ϑϑπϕsin cos cos cos 2kl kl r Ie j H jkr -=- 由此得到0>x 半空间，磁对称阵子的辐射场为：()()ϑϑπωϕsin cos cos cos kl kl r e E j E jkr m m--=-输入阻抗2)60(π=ine inm Z Z任意长度的理想缝隙天线的输入阻抗、辐射阻抗均可由与其互补的电对称阵子的相应值求得。

例如，半波对称阵子的辐射阻抗为Ω=1.73re R ，理想半波缝隙天线的辐射电阻应为：Ω==5001.73)60(2πrmR 由于谐振电对称阵子的输入阻抗为纯阻，因此谐振缝隙的输入阻抗也为纯阻，并且其谐振长度同样稍短于2λ，且缝隙越宽，缩短程度越大。

缝隙天线与微带天线

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。

天线第十一讲-缝隙天线与微带天线201505112

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
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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
11.1 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。
Research Institute of Antennas & RF Techniques School of Electronic & Information Engineering
微带天线的理论和技术日臻成熟，应用非常广泛。
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South China University of Technology
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5微带天线


(∇
2
+ k mn ψ mn = 0
2
)
ψ mn 在磁壁处需满足的边界条件为
∂ψ mn ∂n = 0
空腔模型理论
可得内场的一般解 * < J zψ mn > 1 E z = jk 0η0 ∑ 2 ψ mn 2 * m , n k − k mn < ψ mnψ mn > 式中 * * < J zψ mn >= ∫ J zψ mn ds
微带天线工作原理—辐射机理 微带天线工作原理 辐射机理
电场可近似表达为（设沿贴片宽度和基 片厚度方向电场无变化）
E z = E0 cos(πx / b)
天线的辐射由贴片四周与接地板间的窄 缝形成。由等效原理知，窄缝上的电场 的辐射可由面磁流的辐射来等效。等效 的面磁流密度为 M s = −n × E
w + 0.264 ε e + 0.3 h ∆l = 0.412h ⋅ ε e − 0.258 w + 0.8 h
矩形贴片天线的传输线模型
当从辐射边对矩形贴片馈电时，将一条 缝隙的导纳加上长为b的传输线变换后的 另一缝隙导纳，便得出微带天线的输入 导纳：
Ys + jYc tan βb Yin = Ys + Yc Yc + jYs tan βb
jnφ
空腔模型理论
圆环贴片的本征函数和谐振波数
ψ mn
N ′ (k a )J (k ρ ) − J ′ (k a )N (k ρ ) e jnφ = n mn n mn n mn n mn
J n (k mn a ) J n (k mnb ) = ′ ′ N n (k mn a ) N n (k mnb )

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

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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、
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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
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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
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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）。
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非辐射缝隙：f
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
max
arcsin
2 d
2、非谐振缝隙天线适用于频率扫描天线，因为α与频率有关， 波束指向θmax可以随之变化。
3、频带较宽，但效率较低。
3. 匹第配5偏章斜缝缝隙隙天阵线与微带天线
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，
在有限长度的波导壁上开出的缝隙数目受到限制，增益较低。
g g / 2
短路活塞
(a)
返回 改进
第5章 缝隙天线与微带天线
Z in
(d)
Z0
ZL Z0
jZ0tgd jZ L tgd
短路 Short circuit
Z
sc in
(d
)
jZ 0tgd
分布参数传输线 具有/2的重复性， /4的变换性
第5章 缝隙天线与微带天线
工作。 6、相同结构的微带天线组成微带天线阵可以获得更高的增益和更
大的带宽。
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
最大辐射方向与宽壁垂直。
/2
x1
g/2
匹配偏斜缝隙天线
第5章 缝隙天线与微带天线
匹配偏斜缝隙天线阵的特点： 1、最大辐射方向与宽壁垂直。 2、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%。 3、缺点是调配元件使波导功率容量降低。
第5章 缝隙天线与微带天线
异形波导面上的缝隙天线 为了保证与承载表面共形，波导的一个表面或两个表面常常
第5章 缝隙天线与微带天线
第5章 缝隙天线与微带天线
5.1 缝隙天线 5.2 微带天线
缝隙天线：在波导或空腔谐振器上开出一个或数个缝隙以辐 射电磁波的天线，是无突出部的平面天线。 微带天线：是由微带传输线发展起来的天线，是低剖面的平 面天线。 二者的应用：适用于高速飞行体上，容易组成阵列天线。
第5章 缝隙天线与微带天线
第一节 缝隙天线理想缝隙天线
开在无限大、无限薄的理想 导 体 平 面 上 (yOz) 的 直 线 缝隙， 它可以由同轴传 输线激励。 缝隙的宽度
w远小于波长， 其长度 2l通常为λ/2。
z 2l
＝ ∞
y
第5章 缝隙天线与微带天线
理想缝隙：缝隙中只存在切向的电场强度，电场强度垂直于缝隙 的长边， 并对缝隙的中点呈上下对称的驻波分布， 即：
E(z) Em sin[k(l z ]ey z
引入等效的磁流源，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：
2l
Jm n E x0 Em sin[k(l z )]ez
＝ ∞ y
缝隙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。
第5章 缝隙天线与微带天线
对TE10波，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。 电抗振子
hg
波导窄壁上只有
c
横向电流，且沿
窄边均匀分布。
b
a
f
d
e
TE10波内壁电流分布与缝 隙配置示意图
根据缝隙是否切割电流线分为：
辐射缝隙： a、b、c、d、e 、g
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：
Ee Hm
He Em
Ie
Im , Qe
Qm
0 0
Em
j
Em r
cos(kl cos ) sin
cos(kl)
e
jkr e
H m j Em r
cos(kl
cos
sin
)
cos(kl
)
e
jkr
e
磁对称振子和电对称
图(a)缝隙阵的改进（3）： 依靠倾斜角的正负来获得附 加的π相差，以补偿横向电
流λg/2所对应的π相差而得
到各缝隙的同相激励。
gg
/ /
2 2
gg
/ /
2 2
(c) (c)
(d ) (d )
第5章 缝隙天线与微带天线
2. 非谐振式缝隙阵
将波导末端改为吸收负载，波导载行波，并且间距不等于λg/2，构
图(a)缝隙阵的改进（g1）： 利用了在宽壁中心线两侧对g / 称2 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。
(a) g
活塞
g / 2
g / 2
激励
(b)
返回
第5章 缝隙天线与微带天线
图(a)缝隙阵的改进（2）： 图(c)对应的螺钉交替地分布 在中心线两侧。