天线技术 课件(西电第二版)第8章

第8章缝隙天线和微带天线8.1缝隙天线8.2微带天线8.1缝隙天线8.1.1理想缝隙天线的辐射和方向特性理想缝隙天线是开在无限大、无限薄的理想导电平面上的直线缝隙。缝隙的横向尺寸远小于波长，纵向尺寸通常为λ/2。设yOz为无限大和无限薄的理想导电平板，在此面上沿z轴开一个长为2l、宽为W(W<<λ)的缝隙，缝隙的场由加在缝中心O处的电势激励产生。实际缝隙是由外加电压或电场激励的，不论激励方式如何，缝隙中的场总垂直于缝的长边，如图8-1（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，如图8-1（b）所示。与之相对偶的是尺寸相同的与上述缝隙具有互补形状的金属薄片板状对称振子，如图8-1（c）所示。图8-1理想缝隙天线的辐射而板状对称振子的远区场与细长圆柱对称振子的相同。根据前面3.1.2节的介绍，长度为2l的对称振子的辐射场为(8-1-1)其方向性函数为(8-1-2)由于理想缝隙天线与板状对称振子具有对偶性。因此，根据对偶原理，理想缝隙天线的方向性函数与同长度的对称振子的方向性函数在E面和H面是相互交换的，如图8-2所示。图8-2理想缝隙（2l=λ/2）天线的辐射方向图由于利用了对偶关系，此式假设了缝上电压（或切向电场）沿缝隙轴线也是按正弦分布的。对比理想缝隙与对称振子的场可以看出：（1）二者的方向相同，方向性函数都是(8-1-3)与对称振子一样，常用的缝隙天线是半波缝隙，即l=λ/4，将其代入式(8-1-3)得在包含缝隙轴线的平面内,方向图是“8”字形;在垂直于缝隙轴线的平面内,方向图是圆形。8.1.2波导缝隙天线的辐射和方向特性图8-3波导内壁的电流分布与缝隙配置示意图图8-4波导天线的辐射方向图8.1.3波导缝隙天线阵的方向特性和宽频带特性1.谐振式缝隙阵图8-5宽壁纵向缝隙阵图8-6宽壁中线的纵向缝隙阵为了能在一定长度的波导壁上排列更多的缝隙元以提高其方向性，同时也是为了避免相邻缝隙间距d=λg>λ而出现栅瓣，通常都选择相邻缝隙间距为λg/2的排列方式，但需要采取适当方法以保证各缝隙同相激励。如图8-7所示，相邻缝隙相对中心线要交错放置。从波导内壁电流分布可知，激励宽壁纵缝的横向电流恰好同相；同理，这时除了由纵向距离λg/2引起的相位差π以外，对边开缝又引起相位差π。因而谐振式波导缝隙阵对边开缝时相邻缝隙间的相位差为0，从而实现了各缝隙的同相激励,构成同相阵列。图8-7宽壁中线双侧纵向缝隙阵图8-8窄壁斜缝隙天线阵2.非谐振式缝隙阵图8-9非谐振式缝隙天线阵图中各缝隙间距不等于λg或λg/2，使各缝隙单元不同相，具有线性相位差。方向图的主瓣偏向电源或负载端，最大辐射方向与波导面法线的夹角为（8-1-4）式中，为相邻缝隙的激励相位差。其中,±π为缝隙的位置配置产生的附加相位差，d为相邻缝隙间距。由此可见，若利用移相器控制ψ0，就可实现最大辐射方向的电控扫描，故非谐振式缝隙天线阵很适宜用作电扫描天线。非谐振式缝隙天线阵的优点是频带较宽，缺点是效率较低，匹配负载的吸收功率通常为总输入功率的5%～10%。8.1.4实用缝隙天线图8-10匹配偏斜缝隙天线阵这种天线在中心频率上d=λg或d=λg/2，方向图的主瓣指向缝隙面法线方向。当工作频率变化时，主瓣指向偏离法线方向，但它能在宽频带内与波导良好匹配。这不仅由于波导终端接有匹配负载，而且由于可能产生反射的缝隙得以就地直接匹配。其带宽主要受增益改变的限制，通常是5%～10%。它的缺点是调配元件使波导功率容量降低。

矩形波导缝隙阵的方向图可用方向图乘法定理求出。阵元的方向图即半波缝隙天线的方向图与半波对称振子的相同；阵方向图决定于阵元间距d以及阵元的电流相对激励幅度和相位差。读者可参阅第4章有关直线阵的方向性进行计算。工程上波导缝隙天线阵的方向性系数可用下式近似估算：D≈3.2N式中,N为阵元(缝隙)的个数。（8-1-5）8.2微带天线8.2.1微带天线的结构及主要特点图8-11微带天线的结构图8-12微带天线的馈电微带天线近年来越来越受到人们的重视，因为它具有很多其他天线所没有的特点：可方便地实现线极化或圆极化以及双频率工作；体积小，重量轻，价格低，尤其具有很小的剖面高度，易于附着于任何金属物体表面，最适用于某些高速运行的物体，如飞机，火箭，导弹等；容易和有源器件、微波电路集成为统一的组件，因而适合大规模生产。在现代通信中，微带天线广泛地应用于100MHz～50GHz的频率范围。8.2.2微带天线的辐射原理图8-13矩形微带天线开路端的电场结构图8-14场分布侧视图图8-15矩形微带天线的电场分布图8-16等效辐射缝隙8.2.3微带天线的方向特性建立如图8-17所示的坐标，设缝隙上电压为U，缝的切向电场Ex=U/h，可以等效为沿z方向的磁流。考虑到理想接地板上磁流的镜像，缝隙的等效磁流为（8-2-1）设磁流沿x和z方向都是均匀的，则单缝的辐射场为（8-2-2）式中:（8-2-3）又因为沿x轴排列、间距l≈λ／2的二元阵的阵因子为（8-2-4）分别令θ=90°和φ=90°，由方向图乘积定理即可得到微带天线的E面和H面的方向性函数为（8-2-5）（8-2-6）图8-17缝隙的辐射图8-18微带天线方向图(a)H面；(b)E面8.2.4实用微带天线（1）增加介质基片厚度h，这等效于增大辐射缝隙的宽度或降低微带结构的特性阻抗，使天线输入阻抗随频率变化的速度减慢。但是，种方法的效果是有限的，而且增加厚度与降低剖面高度的要求是矛盾的。这可采用较高相对介电常数εr的介质来解决，但这又增大了天线的损耗。（2）采用如图8-19所示的叠片结构，即上层较小的辐射片以下层较大的辐射片为接地板，相叠的两片分别调谐于不同的频率。这类双层结构因有两个导体贴片，因而具有两个谐振频率。如果结构参数设计得当，可使两个谐振频率适当接近，与电路中的双调谐回路参差调谐原理类似，形成频带大大展宽的双峰谐振电路，使总的工作频带变宽。图8-19叠片形结构微带天线图8-20微带天线阵图8-21微带天线阵形式之一习题78-1什么叫缝隙天线？其结构与近场有哪些特点？分析缝隙天线的基本方法是什么？8-2矩形波导缝隙天线阵有哪几种？各有什么特点？对于给出的天线阵，试指出其E面与H面以及最大辐射方向。8-3什么是微带天线？其结构有何特点？分析微带天线的基