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。

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。

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。

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 。