第5章 缝隙天线与微带天线教材

第5章缝隙天线与微带天线

5.1缝隙天线5.2微带天线

缝隙天线：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，是无突出部的平面天线。微带天线：是由微带传输线发展起来的天线，是低剖面的平面天线。二者的应用：适用于高速飞行体上，容易组成阵列天线。第一节缝隙天线

一、

理想缝隙天线开在无限大、无限薄的理想导体平面上(yOz)的直线缝隙，它可以由同轴传输线激励。

缝隙的宽度w远小于波长，

其长度2l通常为λ/2。分析基础：理想缝隙天线。理想缝隙：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，并对缝隙的中点呈上下对称的驻波分布，即：引入等效的磁流源，在x>0的半空间内，缝隙相当于一个等效磁流源，其等效磁流密度为：缝隙可以被等效成一个片状的、沿z轴放置的、与缝隙等长的磁对称振子。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辐射场对偶得出为：磁对称振子和电对称振子辐射场的极化方向相互正交，其它特性完全相同。H面

(a)电力线；(b)磁力线二、

缝隙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。对TE10波，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分布，中心处最大。TE10波内壁电流分布与缝隙配置示意图波导窄壁上只有横向电流，且沿窄边均匀分布。根据缝隙是否切割电流线分为：辐射缝隙：非辐射缝隙：a、b、c、d、ef、g电抗振子三、缝隙天线阵（SlotArrays）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，构成波导缝隙阵。1.谐振式缝隙阵

特点：波导上所有缝隙都得到同相激励，最大辐射方向与天线轴垂直，为边射阵，波导终端采用短路活塞。缺点：波导波长λg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。返回短路活塞改进分布参数传输线具有l/2的重复性，l/4的变换性短路Shortcircuit图(a)缝隙阵的改进（1）：利用了在宽壁中心线两侧对称位置处横向电流反相、沿波导每隔λg/2场强反相的特点，纵缝每隔λg/2交替地分布在中心线两侧即可得到同相激励。返回图(a)缝隙阵的改进（2）：图(c)对应的螺钉交替地分布在中心线两侧。图(a)缝隙阵的改进（3）：依靠倾斜角的正负来获得附加的π相差，以补偿横向电流λg/2所对应的π相差而得到各缝隙的同相激励。2.非谐振式缝隙阵将波导末端改为吸收负载，波导载行波，并且间距不等于λg/2，构成非谐振式缝隙阵。由传输线理论可知，图a相邻缝隙的相位依次落后对于图

(b)的缝隙天线阵，相邻缝隙除行波的波程差之外，还有附加的180°相移，所以相邻缝隙之间的相位差将沿行波方向依次落后。非谐振缝隙天线阵的特点：1、最大辐射方向偏离阵法线的角度为：

2、非谐振缝隙天线适用于频率扫描天线，因为α与频率有关，波束指向θmax可以随之变化。3、频带较宽，但效率较低。

3.

匹配偏斜缝隙阵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，就构成了匹配偏斜缝隙天线阵。适当地调整缝隙对中线的偏移x1和斜角δ，各缝隙可以得到同相，最大辐射方向与宽壁垂直。匹配偏斜缝隙天线

匹配偏斜缝隙天线阵的特点：1、最大辐射方向与宽壁垂直。2、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5%～10%。3、缺点是调配元件使波导功率容量降低。异形波导面上的缝隙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是曲面形状。曲面波导缝隙天线(a)圆突—矩形波导缝隙天线；(b)扇面波导缝隙天线工程上波导缝隙天线阵的方向系数的估算公式:第二节微带天线微带天线(MicrostripAntennas)：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。优点：1、体积小，重量轻，低剖面，能与载体共形；2、制造成本低，易于批量生产；天线的散射截面较小；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；4、易于和微带线路集成；5、易于实现线极化和圆极化，容易实现双频段、双极化等多功能工作。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大的带宽。导带接地板介质微带线示意图：主模：准TEM可以传输的模式：TEM、TE、TM一、

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的介质基片上形成的天线。利用微带传输线或同轴探针来馈电，通过贴片四周与接地板之间的缝隙向外辐射。宽为W、长为L的一段微带传输线辐射电磁波终端(y=L边)处开路，形成电压波腹和电流的波节点。L≈λg/2，y=0边也呈现电压波腹和电流的波节点。电场可近似表达为：贴片四周窄缝上等效的面磁流密度为：W边为辐射边，L边为非辐射边。贴片与接地板间的电场分布示意图(a)H面（xoz面）(b)E面（xoy面）与Z轴的夹角与X轴的夹角H面（φ=0°，xOz面）：E面（θ=90°，xOy面）：微带天线方向图和方向函数二、双频微带天线导航系统工作频率GPSL1波段：1575.42MHzL2波段：1227.60MHzGLONASSL1波段：1602+0.5625k(MHz)L2波段：1246+0.4375k(MHz)GalileoL1：1561.098～1589.742MHz，L2：1202.025～1278.750MHz北斗L频段：1610～1626.5MHzS频段：2483.5～2500MHz许多系统要求工作在双频段，例如卫星导航系统：方法一:激励多模来获得双频

1）、在矩形贴片非辐射边开两条长度相等的缝隙，在离贴片中心一适当距离处馈电。

TM10和介于TM10与TM20之间的模式。同轴线馈缝隙负载贴片天线结构实现双频的方法W=15.5mm，L=11.5mm，l=0.5mm，W1=d=1mm，Wp=5.5mm，εr=2.2、h=0.8mm时，利用FDTD（时域有限差分法）计算该天线的s11参数随馈电位置的频率变化曲线。天线的|s11|参数曲线馈电点位置对天线特性影响明显2）、在矩形贴片上切角，馈电点一般在矩形中心点。方法二：采用分层结构。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。1）、矩形分层结构分层双频圆极化微带天线结构示意图

(a)俯视图；(b)侧视图f1f2馈电层公共地分层双频圆极化微带天线的|s11|参数曲线ANSOFTHFSS（HighFrequencyStructureSimulator）软件：用于三维无源器件的高性能电磁场仿真软件双层双频圆形微带天线示意图2）、圆形分层结构902～928MHz