北大天线理论课件：第六章__微带天线

1、第六章缝隙天线与微带天线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。理想缝隙的坐标假设位于yoz平面上的无限大理想导体平面上开有宽度为 ( (8 ( 0mzr :- emsin kl - z 阻，x0半空间，磁对称阵子的辐射场为：em e-jkr cos kl cos ： - cos klsin 二em 十一的 ；cos kl cos； )一 cos kl- r sin ；在x0的半空间，电场和磁场的符号与上式相反 理想缝隙与电对称阵子: 1)理想缝隙与电对称阵子

2、为互补天线；2)方向性相同，其方向函数为：cos kl cos9 )- cos klf (6)=sin03)场的极化不同，h面、e面互换，理想缝隙e面无方向性，对称阵子h面无方向性；半波缝隙天线的月面方向图（g电力线磁力线缝隙的场矢量线分布留4）二者辐射阻抗、输入阻抗乘积为常数，即：辐射电阻 rrm rre = （60二）2辐射阻抗 zrmzre =（60二）2输入阻抗2.2鹏=（60二）2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rre =73.1。，理想半波缝隙天线的辐射电阻应为:rrm（60二）273.1由于谐振电对

3、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 2,且缝隙越宽，缩短程 度越大。6.1.2缝隙天线最基本的缝隙天线是开在矩形波导臂上的半波谐振缝隙，如下图所示。波内壁电流分布与缝隙配置示意留1) 波导壁电流分布波导内传输的主模为te10模，波导壁上有横向和纵向电流分量， 见上图。横向电流沿宽边呈余弦分布，中心处为零；纵向电流沿宽边 呈正弦分布，中心处最大。波导窄壁上只有横向电流，且沿窄边均匀 分布。2) 波导缝隙辐射缝隙：缝隙切断电流线，中断的电流线以位移电流的形式延 续，缝隙因此受到激励，波导内传输的功率通过缝隙向外辐射，见图 中的 a,b,c,d,e 。

4、非辐射缝隙：缝隙与电流线平行，不能激励电场，不具有辐射能 力，见图中f。3) 波导缝隙与理想缝隙的区别a)结构尺寸的限制，边界条件不同，存在绕射；b)e面方向图发生畸变，h面方向图差别不大；c)辐射功率和辐射电导为理想缝隙天线的一半。4) 波导缝隙的等效电路波导开缝会对波导内部的传输特性产生影响， 可以将缝隙等效成 传输线上并联导纳和串联阻抗，结合微波网络理论对其影响进行分 析。波导开缝方式不同，缝隙的等效电路也不同。下图给出了各种波 导缝隙的等效电路。各种缝隙的等效电路如果缝隙的长度等于谐振长度，等效阻抗或导纳只有实部，虚部 为零。下图给出了三种典型缝隙，其归一化电阻或电导与位置参数的 关系

5、为：g2 =r =0.523z22m、2/nxi)cos i cos ab2i 1 - -sindg(c)三种缝隙位置的等效电路6.1.3缝隙天线阵由开在波导上按一定规律排列、尺寸相同的缝隙构成。这里主要介绍几种缝隙阵。6.1.3.1 谐振式缝隙阵所有缝隙同相激励，最大辐射方向与天线轴线垂直，是边射阵。 常见的谐振式缝隙阵如下图所示。图（a）为开在宽壁上的横向缝隙阵，相邻缝隙间距为 &g,以保 证同相激励。缺点是存在栅瓣，增益低，因此很少采用。图（b）为在宽壁中心线两侧每隔 3/2交替开纵向缝隙组成巧缝 隙阵。利用中心线两侧对称位置处横向电流反相、 沿波导每隔%/2场强反相的特点保证同相激励。

6、6.1.3.2 非谐振式缝隙阵、波导端接吸收负载，波导内部传输行波，缝隙间距不等于3/2, 阵源非同相激励。2 二.图（b）结构，相邻缝隙波程差带来的相位差为d ,附加相移为/u g2 二.180 ;总的相差为dog由均匀直线阵的分析可知，当a + kdsin6 =。时，方向函数取得最大值，由此可得非谐振缝隙天线阵的最大辐射方向偏离阵法线的角度为：九ct max =arcsin 丁二 2二 d可见最大辐射方向随a的变化而改变，而“与频率有关，因此非 谐振式缝隙阵可实现频率扫描。6.1.3.2匹配斜缝隙阵波导壁上开有谐振斜缝，终端端接匹配负载，构成匹配斜缝隙阵。下图为开在波导宽壁上的匹配斜缝隙阵

7、。适当调整缝隙对中心线的偏移 x1、斜角6和附近螺钉，可使缝 隙归一化等效导纳g=1,且同相激励，最大辐射方向与宽壁垂直。匹配隔斜缝隙天线以上介绍的波导缝隙阵的方向图可由方向图乘积定理得到，阵元方向图为半波对称阵子的方向图，阵因子取决于相邻缝隙的间距和激励的相位差。6.2微带天线微带天线是敷于介质基片上的导体贴片和接地板构成如下图所ground plane微带天线示意图1、微带天线的优缺点：体积小、成本低、重量轻、低剖面，易于与载体共形;散射截面小、波瓣宽；易于和微带电路集成；易于实现线极化、圆极化、双极化和双频段工作；带宽窄、增益低、功率容量低（ 贴片的形状：100此squarerectan

8、gleelipseequilateral triangle2、微带天线的分析方法：数值方法如全波分析方法，包括频域混合势积分方程法（mp旧 和时域有 限差分法（fdtd等。算法精度高、编程复杂。近似方法如腔模理论和传输线法等，算法相对简单。6.2.1矩形微带天线导体贴片为矩形的微带天线，由传输线或同轴探针馈电，在贴片 与接地板之间激起高频电磁场，并通过贴片四周与接地板之间的缝隙 向外辐射。l :2矩形微带贴片可看作宽为 w长为l （一般l g/2）的一段微 带传输线，其终端（y = l）处呈现开路，是电压波幅和电流波节面。贴片和接地板之间的电场分布如下图所示x矩形微带天线结梅及等效面磁流密度辐

9、射机理选择图示坐怀系，、假设电场沿z方向均匀分布，沿y方向的电场 分布西圉e0o*iy ex贴后四周会缝上的等效面磁流密度为：jmte（*）en -缝隙表面的外法向单位矢量。由于电场只有x方向分量，因此等效面磁流均与接地板平行，见 图中箭头所示。由（*）式可知，表面磁流沿两条w边是同向的，具辐射场 在x轴方向同相叠加，呈最大辐射，并随偏离角的增大而减小，形成 边射方向图。在每条l边上，磁流呈反对称分布，在 h面（xoz面）上的 辐射相互抵消；两条l边的磁流彼此呈反对称分布，在e面（xoy面） 上的辐射场也相互抵消。l边在其它平面上的辐射虽然不会完全抵消， 但与两条w的辐射场相比，显得非常微弱。

10、可见矩形微带天线的辐射主要由两条 w边的缝隙产生，称为辐射 边。2.辐射场的求解矩形微带天线的辐射场由相距l的两条w边缝隙辐射场叠加而 成。考虑y = 0的缝隙，表面磁流密度为:jm = -每匕对于远区观察点p(r,8出)，磁矢位为:f = -ezr2 fh e0e-jk(r-xsin9cosp+zcos9dzdx4二 r _w 25式中考虑了接地板引入的镜像效应。.门，sin kwcose、2kcosue-jkr积分后得到:e0h sin khsin cos一ezr khsin丁 cos由e = -父f可得远区电场矢量为:.1 一,sinkwcos1jeh sin khsin丁 cos 2,

11、ikr- r khsincoscosu0sin e-j对于y = l处面磁流对辐射场的贡献，可考虑间距 l = 3/2的等幅同相二元阵，其阵因子为：-一1,.八.个、fn = 2 cos kl sin 9 sin 中2j矩形微带天线远区辐射场为：1口、, 小 sin - kw cos8,、j2eh sin(khsin9 cos* )2)马马-jkre = ?sin 日 cos kl sin 日 sin 中 e叮 khsinc coscos9123.方向图由于实际微带天线的kh 1 ,地因子近似等于1,方向函数可表不为:sin kwcose【2j . 门.-sine cos klsin日 sin

12、邛12kw cosei2e面（xoy面），日=90一，方向函数为:fe(9 )= cos klsin率h面（xoz面），9=0,方向函数为:sin 口,1， 八 sin kwcose、2一itt 一kw cosu 2下图给出了理论计算和实测的矩形微带天线的方向图（o）3）矩形微带天觐方向图4.辐射电导如果定义um = e0h ,辐射电导定义为pr = 1umgrm,可求得每条边的辐射电导为:grmsin21 二wncose2 .cos usin3ud1当w 儿时，grmw290w& 4 4 4o120人5.输入导纳矩形微带天线的输入导纳可由微带传输线法进行计算,等效电路见下图所示。微带天线矩形

13、制用天线等效电路假设微带线的特性导纳为 工，则输入导纳为:g j b tan ： l 1yn 二 g jbyc g j b linc ycj g jb tan ： l2 二 2 二一=ee-有效介电常数。当谐振边处于谐振状态时，输入导纳为:yn = 2grm。6.2.2双频微带天线微带天线易于实现双频段工作，矩形贴片天线是利用激励多模来 获得双频的，见下图所示。图中在非辐射两边各开一个长度相等的缝隙， 在贴片中心线上一 适当位置处馈电。这种结构的工作模式有两种，一种是teio模，另一种模式介于teio和te20之间，两种模式电流分布和辐射特性均相 似，并具有相同的极化平面，两种模式分别工作于不同的频率。!w1 w 同轴线情管隙负载贴片天线结构实例：w = 15.5mm, l = 11.5mm, l = 0.5mm, w1 = d = 1mm,wd = 5.5mm , h = 0.8mm,名=2.2。pfdth算和实测的s11曲线如下图所示0民。10 s/ghz天线的底1i参数曲线可见双频特点和馈电位置对频率特性的影响。实现双频工作的另一方法是采用多层贴片结构。下图为双层贴片、三层介质结构，两贴片近似方形，分别谐振于两个频率，微带馈 线介于两贴片之间lb嫡视图（瓦侧视图分层双顽圆极化微带天线结构示意图实例:wt =