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1、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。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()、长度21/2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：E z EmSin k l z 岂Em-缝隙中间波腹处的场强值。磁流密度为:缝隙相当于一个磁流源，由电场分布可得到等效Jmn? eEmsin k l z §z, x 0等效磁流强度为：Em sin k lz §, x

2、0Im 讣 dl2 Emsin k lz , x 02 Em sin k l z , x 0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：I(z) I sink(l |z)辐射场表达式：E j 60le jkr cos(klcos ) cos(kl)J rsinjkrle cos kl cos cos klH J2 rsin由此得到x0半空间，磁对称阵子的辐射场为：jkr.Em e cos kl cos cos kl J -ejkrcos kl cossinrsincos kl在

3、x 0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为互补天线；2）方向性相同，其方向函数为：f cos kl cos cosklsin3）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；半波縫隙天域的丹面方向图x<0x>o3电办线确力线绸妗的场矢事线竹苻网4）二者辐射阻抗、输入阻抗乘积为常数，即:辐射电阻Rrm Rre (6° f 辐射阻抗ZrmZre (60 )2 输入阻抗 ZinmZine (60 )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

4、的辐射阻抗为Rre73.1，理想半波缝隙天线的辐射电阻应为：Rrm(60 )273.1500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2，且缝隙越宽，缩短程度越大。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。TEg強内要电流分布与缝隙配JS示議图1 ）波导壁电流分布波导内传输的主模为TH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

5、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。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。各秤缝隙的尋效电路如果缝隙的长度等于谐振长度，等效阻

6、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为：gl2.09 in2bXi2 cos3 2g220.523 一cos cosab 4aXiasincossinsing20131 壮21singooIZZ0(a)(b)(0三种缓隙位的寻效电路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。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。(d)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

7、线两侧每隔 g，2交替开纵向缝 隙组成的缝隙阵。利用中心线两侧对称位置处横向电 流反相、沿波导每隔gJ2场强反相的特点保证同相激 励。6.132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g 2，阵源非同相激励。d I °二匚图（a）结构，相邻缝隙的相位依次滞后图（b ）结构，相邻缝隙波程差带来的相位差为22一d,附加相移为180 ,总的相差为一 d。gg由均匀直线阵的分析可知,当kd sin0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：maxarcs in2 d可见最大辐射方向随的变化而改变，而 与频率有关，因此非谐振式

8、缝隙阵可实现频率扫描。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 隙阵适当调整缝隙对中心线的偏移 xi、斜角和附近螺钉，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Z/2匹配帰斜翳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52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示Ground Plane微带天线示意图微带天线的优缺点：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

9、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（V100W ）。 贴片的形状：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（MPIE）和时域有限差分法（FDTD）等。算法精度咼、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。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。矩

10、形微带天线结构及奢效面磁流密度E1. 辐射机理选择图示坐标系，假设电场沿z方向均匀分布， 沿y方向的电场分布可近似表示为：E0 cos贴片四周窄缝上的等效面磁流密度为：JSen E（*）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，其辐射场在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

11、消 ， 但与两条W的辐射场相比，显得非常微弱。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 o的缝隙，表面磁流密度为：JS飪。对于远区观察点P r,，磁矢位为：?1 W 2 hjkr xsin cos zcos .F 纟石 W2 hE0edzdx式中考虑了接地板引入的镜像效应。1kW cos2kcosjkr e积分后得到：inE0h sin khsin cos ezrkhsin cos由EF可得远区电场矢量为：jE0h sin khsin cosrkhsin cos1 sin kW cos2

12、jkrsin ecos对于y l处面磁流对辐射场的贡献，可考虑间距L g/2的等幅同相二元阵，其阵因子为：1fn2 cos kL s in sinn 2矩形微带天线远区辐射场为：sin cos 1 kL sin2.jkrsin esin kW cos j2Eoh sin khsin cos2erkhs in coscos3. 方向图由于实际微带天线的kh 1 ,地因子近似等于1,方向函数可表示为：E面（xoy面）FeH面（xoz面）1 sin kW cos2sin1kW cos21 cos kLsin sin290 ,方向函数为：cos - kLsin20，方向函数为:1 sin kWcos2

13、 . sin 1kWcos2下图给出了理论计算和实测的矩形微带天线的方向图-5<1B一闵 B（a）（毎矩形烫带天线方向图4辐射电导如果定义Um E°h ,辐射电导定义为1 2P UmGrm ,可求得每条边的辐射电导为：Grm1Grmsin2Wcoscos23sin d时，90时，Grm1205.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!矩形微带天线等效电路假设微带线的特性导纳为Yc，则输入导纳为：YnY G j B ta n L cYc j G jB tan LG jBgo-有效介电常数当谐振边处于谐振状态时，输入导纳为:Yin2

14、Grm。622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IL1I同轴线惯缝隙伐裁贴片天线结构实例：W 15.5mm, L 11.5mm, l 0.5mm,Wi d 1mm,Wp 5.5mm ,h 0.8mm,2.2。FDTD计算和实测的曲线如下图所示O8.0/GHz天线的1九1参数曲线m -io才2012.0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