第5章缝隙天线与微带天线

1、第第5 5章章 缝隙天线与微带天线缝隙天线与微带天线 5.1 5.1 缝隙天线缝隙天线 5.2 5.2 微带天线微带天线 ：在波导或空腔谐振器上开出一个或数个缝隙以辐：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，射电磁波的天线，。：是由微带传输线发展起来的天线，：是由微带传输线发展起来的天线，。二者的应用：适用于高速飞行体上，容易组成阵列天线。二者的应用：适用于高速飞行体上，容易组成阵列天线。第第5 5章章 缝隙天线与微带天线缝隙天线与微带天线 开在无限大、无限薄的理想开在无限大、无限薄的理想导体平面上导体平面上( (yOz) )的直线的直线缝隙，缝隙， 它可以由同轴传它可以由同

2、轴传输线激励。输线激励。 缝隙的宽缝隙的宽度度w w远小于波长，远小于波长， 其长度其长度2 2l通常为通常为/2/2。yz2l分析基础：理想缝隙天线。分析基础：理想缝隙天线。第第5 5章章 缝隙天线与微带天线缝隙天线与微带天线 ：缝隙中只存在切向的电场强度，电场强度垂直于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，的长边， 并对缝隙的中点呈上下对称的驻波分布，并对缝隙的中点呈上下对称的驻波分布， 即：即：( )sin (myE zEk lz e 引入等效的磁流源，在引入等效的磁流源，在x00的半空间内，的半空间内，缝隙相当于一个等效磁流源，缝隙相当于一个等效磁流源，其等效磁流密

3、度为：其等效磁流密度为：0sin ()mxmzJn EEk lz e yz2l第第5 5章章 缝隙天线与微带天线缝隙天线与微带天线 根据电磁场的对偶原理，磁对称振子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的辐射场可以直接由电对称振子的辐射场对偶得出为：辐射场对偶得出为：cos(cos )cos()sincos(cos )cos()sinmjkrmmjkrmEklklEjeerEklklHjeer cos(cos )cos( )sinklklf00,ememememEHHEIIQQ 磁对称振子和电对称磁对称振子和电对称振子辐射场的极化方振子辐射场的极化方向相互正交，其它特向

4、相互正交，其它特性完全相同。性完全相同。H H面面第第5 5章章 缝隙天线与微带天线缝隙天线与微带天线 (a) (a)电力线；电力线； (b)(b)磁力线磁力线半 波 缝 隙 天 线 的 H面 方 向 图zyx 0 x 0第第5 5章章 缝隙天线与微带天线缝隙天线与微带天线 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。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。对对TETE1010波波，在波导宽壁上有纵向和横向两个电流分量，横向分量的，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大小沿宽边呈余弦分布，中心处为

5、零，纵向电流沿宽边呈正弦分布，中心处最大。分布，中心处最大。TE10波内壁电流分布与缝波内壁电流分布与缝隙配置示意图隙配置示意图ahgbfedc根据缝隙是否切割电流线分为：根据缝隙是否切割电流线分为：辐射缝隙：辐射缝隙：非辐射缝隙：非辐射缝隙：a、b、c、d、ef、g第第5 5章章 缝隙天线与微带天线缝隙天线与微带天线 （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，构成开出一系列尺寸相同的缝隙，构成 ：波导上所有缝隙都得到同相激励，最大辐射方向与天线轴波导上所有缝隙都得到同相激励，最大辐

6、射方向与天线轴垂直，为边射阵，波导终端采用短路活塞。垂直，为边射阵，波导终端采用短路活塞。：波导波长：波导波长g大于自由空间波长，缝隙阵会出现栅瓣，同时大于自由空间波长，缝隙阵会出现栅瓣，同时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。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。gg / 2gg / 2g / 2( a )( b )激 励活 塞短路活塞短路活塞第第5 5章章 缝隙天线与微带天线缝隙天线与微带天线 分布参数传输线分布参数传输线具有具有 /2的重复性，的重复性， /4的变换性的变换性dtgjZdZscin0)(dtgjZZdtgjZZZdZLLin000)(短路

7、短路Short circuit第第5 5章章 缝隙天线与微带天线缝隙天线与微带天线 图图( (a) )缝隙阵的改进（缝隙阵的改进（1 1）：）：利用了在宽壁中心线两侧对称位置处横向电流反相、沿波导每利用了在宽壁中心线两侧对称位置处横向电流反相、沿波导每隔隔g g/2 /2 场强反相的特点，纵缝每隔场强反相的特点，纵缝每隔g g/2/2交替地分布在中交替地分布在中心线两侧即可得到同相激励。心线两侧即可得到同相激励。gg / 2gg / 2g / 2( a )( b )激 励活 塞第第5 5章章 缝隙天线与微带天线缝隙天线与微带天线 图图( (a) )缝隙阵的改进（缝隙阵的改进（2 2）：）：图图

8、(c)(c)对应的螺钉交替地分布对应的螺钉交替地分布在中心线两侧。在中心线两侧。g / 2g / 2(c )(d )图图( (a) )缝隙阵的改进（缝隙阵的改进（3 3）：）：依靠倾斜角的正负来获得附依靠倾斜角的正负来获得附加的加的相差，以补偿横向电相差，以补偿横向电流流g g/2/2所对应的所对应的相差而相差而得到各缝隙的同相激励。得到各缝隙的同相激励。g / 2g / 2(c)(d )第第5 5章章 缝隙天线与微带天线缝隙天线与微带天线 将波导末端改为将波导末端改为，波导载行波，并且间距不等于，波导载行波，并且间距不等于g g/2/2，构成非谐振式缝隙阵。构成非谐振式缝隙阵。由传输线理论可

9、知，图由传输线理论可知，图a a相邻缝隙的相位依次落后相邻缝隙的相位依次落后对于图对于图 (b)(b)的缝隙天线阵，相邻缝隙除行波的波程差的缝隙天线阵，相邻缝隙除行波的波程差 之外，还有附加的之外，还有附加的180180相移，所以相邻缝隙之间的相位差将沿相移，所以相邻缝隙之间的相位差将沿行波方向依次落后行波方向依次落后 。2gd2gd2gd第第5 5章章 缝隙天线与微带天线缝隙天线与微带天线 、最大辐射方向偏离阵法线的角度为：、最大辐射方向偏离阵法线的角度为：maxarcsin2 d、非谐振缝隙天线适用于频率扫描天线，因为、非谐振缝隙天线适用于频率扫描天线，因为与频率有关，与频率有关，波束指向

10、波束指向mamax x可以随之变化。可以随之变化。、频带较宽，但效率较低。、频带较宽，但效率较低。 第第5 5章章 缝隙天线与微带天线缝隙天线与微带天线 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，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，就构成了波导终端接匹配负载，就构成了。适当地调整缝隙对中线的偏移适当地调整缝隙对中线的偏移x x1 1和斜角和斜角，各缝隙可以得到同相，各缝隙可以得到同相，最大辐射方向与宽壁垂直。最大辐射方向与宽壁垂直。匹配偏斜缝隙天线匹配偏斜缝隙天线 g/2x1/2第第5 5章章 缝隙天线与微带天线缝隙天线与微带天线 1

11、1、最大辐射方向与宽壁垂直。、最大辐射方向与宽壁垂直。2 2、能在较宽的频带内与波导有较好的匹配，带宽主要受增、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，通常是益改变的限制，通常是5%5%10%10%。3 3、缺点是调配元件使波导功率容量降低。、缺点是调配元件使波导功率容量降低。 第第5 5章章 缝隙天线与微带天线缝隙天线与微带天线 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是曲面形状。是曲面形状。曲面波导缝隙天线曲面波导缝隙天线( (a) )圆突圆突矩形波导缝隙天线；矩形波导缝隙天线；(b)(b)扇面波导缝隙天

12、线扇面波导缝隙天线(a)(b)3.2DN工程上波导缝隙天线阵的方向系数的估算公式工程上波导缝隙天线阵的方向系数的估算公式: :第第5 5章章 缝隙天线与微带天线缝隙天线与微带天线 第二节第二节 微带天线微带天线(Microstrip Antennas)(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。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。1 1、体积小，重量轻，低剖面，能与载体共形；、体积小，重量轻，低剖面，能与载体共形；2 2、制造成本低，易于批量生产；天线的散射截面较小；、制造成本低，易于批量生产；天线的散射截面较小；3

13、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；、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 4、易于和微带线路集成；、易于和微带线路集成；5 5、易于实现线极化和圆极化，容易实现、易于实现线极化和圆极化，容易实现、等多功能等多功能工作。工作。6 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、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。大的带宽。第第5 5章章 缝隙天线与微带天线缝隙天线与微带天线 导带导带接地板接地板介质介质微带线示意图：微带线示意图：主模：准主模：准TEMTEM可以传输的模式：可以传输的模式：TEMTEM、TET

14、E、TMTM第第5 5章章 缝隙天线与微带天线缝隙天线与微带天线 一、一、 矩形微带天线矩形微带天线 矩形微带天线是由矩形导体薄片粘贴在背面有导体接地板矩形微带天线是由矩形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。利用的介质基片上形成的天线。利用微带传输线微带传输线或或同轴探针同轴探针来馈电，通过贴片四周与接地板之间的缝隙向外辐射。来馈电，通过贴片四周与接地板之间的缝隙向外辐射。zxyOLWrEmsJ宽为宽为W W、长、长为为L L的一段的一段微带传输线微带传输线辐射电磁波辐射电磁波第第5 5章章 缝隙天线与微带天线缝隙天线与微带天线 终端终端(y=L边边)处开路，形成处开路，形成

15、电压波腹电压波腹和电流的波节点。和电流的波节点。Lg/2，y=0 边也呈现边也呈现电压波腹电压波腹和电流的波节点。和电流的波节点。zxyOLWrEmsJ电场可近似表达为：电场可近似表达为：0cos()xyEEL贴片四周窄缝上等效的面磁流密度为：贴片四周窄缝上等效的面磁流密度为：msnJeE W边为辐射边，边为辐射边，L边为非辐射边。边为非辐射边。贴片与接地贴片与接地板间的电场板间的电场分布示意图分布示意图第第5 5章章 缝隙天线与微带天线缝隙天线与微带天线 (a)H(a)H面（面（xozxoz面）面） (b)E(b)E面（面（xoyxoy面）面） 18090030601501209090603

16、0030605dB5dB实测量计算值(a)(b)(W1 cm ， L3.05 cm， f3.1 GHz)zxyOLWrEmsJ与与Z Z轴的轴的夹角夹角与与X X轴的轴的夹角夹角H面（面（=0，xOz面）：面）： 1sin(cos )2( )sin1cos2HkWFkWE面（面（=90，xOy面）：面）： 1( )cos(sin)2EFkL微带天线方向图和方向函数微带天线方向图和方向函数第第5 5章章 缝隙天线与微带天线缝隙天线与微带天线 二、二、 双频微带天线双频微带天线导航系统导航系统工作频率工作频率GPSGPSL1L1波段：波段：1575.42MHz1575.42MHzL2L2波段：波段

17、：1227.60MHz 1227.60MHz GLONASSGLONASSL1L1波段：波段：1602+0.5625k(MHz)1602+0.5625k(MHz)L2L2波段：波段：1246+0.4375k(MHz)1246+0.4375k(MHz)GalileoGalileoL1L1：1561.0981561.0981589.742MHz1589.742MHz，L2L2：1202.0251202.0251278.750MHz1278.750MHz北斗北斗L L频段：频段：161016101626.5 MHz1626.5 MHzS S频段：频段：2483.52483.52500 MHz2500

18、 MHz许多系统要求工作在双频段，例如卫星导航系统：许多系统要求工作在双频段，例如卫星导航系统：第第5 5章章 缝隙天线与微带天线缝隙天线与微带天线 1 1）、在矩形贴片非辐射边开两）、在矩形贴片非辐射边开两条长度相等的条长度相等的，在离贴片，在离贴片中心一适当距离处馈电。中心一适当距离处馈电。 TMTM1010和介于和介于TMTM1010与与TMTM2020之间的之间的模式。模式。同轴线馈缝隙负载贴片天线结构同轴线馈缝隙负载贴片天线结构 LsLWsW1dyzWWphl实现双频的方法实现双频的方法第第5 5章章 缝隙天线与微带天线缝隙天线与微带天线 W=15.5mm，L=11.5mm，l=0.

19、5mm，W1=d=1mm，Wp=5.5mm，r=2.2、h=0.8mm时，时，利用利用F FDTDDTD（时域有限差分法）计算该天线（时域有限差分法）计算该天线的的s s1111参数随馈电位置的频率变化曲线。参数随馈电位置的频率变化曲线。天线的天线的| |s s1111| |参数曲线参数曲线 Wp 5.5 mmWp 4.5 mmWp 6.5 mm测 量 值 Wp 5.5 mm0 10 20 304.08.012.0f /GHzS11 / d BLsLWsW1dyzWWphl馈电点位置对馈电点位置对天线特性影响天线特性影响明显明显第第5 5章章 缝隙天线与微带天线缝隙天线与微带天线 2 2）、在

20、矩形贴片上）、在矩形贴片上，馈电点一般在矩形中心点。，馈电点一般在矩形中心点。第第5 5章章 缝隙天线与微带天线缝隙天线与微带天线 。该天线包括三层介质结构：两个谐振于所需工作频率的贴片该天线包括三层介质结构：两个谐振于所需工作频率的贴片和一微带线馈电结构。和一微带线馈电结构。1 1）、矩形分层结构）、矩形分层结构分层双频圆极化微带天线结构示意图分层双频圆极化微带天线结构示意图 (a)(a)俯视图；俯视图；(b)(b)侧视图侧视图WbWtLtLbW0S1S2S3S4r3 , h3r2 , h2r1 , h1(a)(b)f1f2馈电层馈电层公共地公共地第第5 5章章 缝隙天线与微带天线缝隙天线与微带天线 分层双频圆极化