缝隙天线与微带天线.ppt

第5章缝隙天线与微带天线 制作 唐慧主讲 唐慧 电波与天线 本章内容 5 1缝隙天线5 2微带天线 5 1缝隙天线 理想缝隙天线是开在无限大 无限薄的理想导体平面上 yOz 的直线缝隙 可以由同轴传输线激励 缝隙的宽度w远小于波长 而其长度2l通常为 2 5 1 1理想缝隙天线 无论缝隙被何种方式激励 缝隙中只存在切向的电场强度 电场强度一定垂直于缝隙的长边 并对缝隙的中点呈上下对称的驻波分布 即 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 缝隙最终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 对于x 0的半空间内 其等效磁流强度为 讨论远区的辐射问题时 可将缝隙视为线状磁对称振子 根据与全电流定律对偶的全磁流定律 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 在x 0的半空间内 由于等效磁流的方向相反 因此电场和磁场表达式分别为上两式的负值 通常称理想缝隙与和它对偶的电对称振子为互补天线 因为它们相结合时形成单一的导体屏而没有重叠或孔隙 它们的区别在于场的极化不同 H面 通过缝隙轴向并且垂直于金属板的平面 E面 垂直于缝隙轴向和金属板的平面 互换 理想缝隙与和它对偶的电对称振子具有相同的方向性 其方向函数为 理想半波缝隙天线 2l 2 H面方向图如右图所示 而其E面无方向性 缝隙的场矢量线分布图 a 电力线 b 磁力线 半波缝隙天线的H面方向图 例 以缝隙波腹处电压值Um Emw为计算辐射电阻的参考电压 则 若理想缝隙天线与其互补的电对称振子的辐射功率相等 则 缝隙的辐射功率 缝隙辐射电阻 缝隙波腹处电流值 因为电对称振子的辐射功率Pr e与其辐射电阻Rr e的关系为 推导出理想缝隙天线的辐射电阻与其互补的电对称振子的辐射电阻之间关系式 因此 理想半波缝隙天线的辐射电阻为 理想半波缝隙天线的辐射电导Gr m 0 002S 和半波振子类似 理想半波缝隙天线的输入电阻也为500 该值很大 所以在用同轴线给缝隙馈电时存在困难 必须采用相应的匹配措施 任意长度的理想缝隙天线的输入阻抗 辐射阻抗均可以由与其互补的电对称振子的相应值求得 由于谐振电对称振子的输入阻抗为纯阻 因此谐振缝隙的输入电阻也为纯阻 并且其谐振长度同样稍短于 2 且缝隙越宽 缩短程度越大 辐射阻抗Zr mZr e 60 2输入阻抗Zin mZin e 60 2 辐射电阻 理想缝隙天线和与其互补的电对称振子 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 由电磁场理论 对TE10波而言 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 而波导窄壁上只有横向电流 且沿窄边均匀分布 5 1 2缝隙天线 如果波导壁上所开的缝隙能切割电流线 则中断的电流线将以位移电流的形式延续 缝隙因此得到激励 波导内的传输功率通过缝隙向外辐射 这样的缝隙也就被称为辐射缝隙 当缝隙与电流线平行时 不能在缝隙区内建立激励电场 这样的缝隙因得不到激励 不具有辐射能力 因而被称为非辐射缝隙 缝隙类型 缝隙g虽然与纵向电流平行 但是其旁边设置了电抗振子h 电抗振子是插入波导内部的螺钉式金属杆 由于该螺钉平行于波导内部的电场 因此被感应出的传导电流流向螺钉底部处的波导内壁而形成径向电流 于是纵缝g可以切断其中的一部分而得到激励 受激励的波导缝隙形成了开在有限金属面上的窄缝 当金属面的尺寸有限时 缝隙天线的边界条件发生了变化 对偶原理不能应用 有限尺寸导电面引起的电波绕射会使得天线的辐射特性发生改变 严格的求解缝隙的辐射场需要几何绕射理论或数值求解方法 宽边上纵缝的E面方向图 对于开在矩形波导上的缝隙 E面 垂直于缝隙轴向和波导壁面的平面 方向图与理想缝隙天线相比有一定的畸变 宽边上的纵缝 由于沿E面的电尺寸对标准波导来说只有0 72 所以其E面方向图的差别较大 宽边上的横缝 随着波导的纵向尺寸变长 其E面方向图逐渐趋向于理想的半圆形 矩形波导缝隙天线的H面 通过缝隙轴向并且垂直于波导壁的平面 沿金属面方向的辐射为零 所以波导的有限尺寸带来的影响相对较小 因此其H面方向图与理想缝隙天线差别不大 波导缝隙天线和理想缝隙天线的辐射空间不同 波导缝隙天线的辐射功率相当于理想缝隙天线的一半 因此波导缝隙天线的辐射电导也就为理想缝隙天线的一半 对于半波谐振波导缝隙 其辐射电导为Gr m 0 001S 由微波技术知识可知 波导可以等效为双线传输线 所以波导上的缝隙可以等效为和传输线并联或串联的等效阻抗 宽壁横缝截断了纵向电流 因而纵向电流以位移电流的形式延续 其电场的垂直分量在缝隙的两侧反相 导致缝隙的两侧总电场发生突变 故此种横缝可等效成传输线上的串联阻抗 波导宽壁横缝附近的电场 波导宽壁纵缝附近的电流 波导宽壁纵缝却使得横向电流向缝隙两端分流 因而造成此种缝隙两端的总纵向电流发生突变 所以矩形波导宽壁纵缝等效成传输线上的并联阻抗或导纳 若某种缝隙同时引起纵向电流和电场的突变 则可以把它等效成一个四端网络 矩形波导壁上各种缝隙的等效电路 如果波导缝隙采用了谐振长度 它们的输入电抗或输入电纳为零 即等效串联阻抗或并联导纳中只含有实部 不含有虚部 谐振缝隙 宽边纵向半波谐振缝隙 其归一化电导为 宽边横向半波谐振缝隙 其归一化电阻为 窄边斜半波谐振缝隙 其归一化电导为 有了相应的等效电路 波导内的传输特性就可以依赖于微波网络理论来分析 例如后向散射系数 s11 及频率响应曲线 从而更方便地计算矩形波导缝隙天线的电特性 例如传输效率及匹配情况 在已获得匹配的波导上开出辐射缝隙 将会破坏波导的匹配情况 为了使带有缝隙的波导匹配 可以在波导的末端短路 利用短路传输线的反射消去谐振缝隙带来的反射 使得缝隙波导得到匹配 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 SlotArrays 由于波导场分布的特点 缝隙天线阵的组阵形式更加灵活和方便 但主要有以下两类组阵形式 5 1 3缝隙天线阵 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 波导终端通常采用短路活塞 谐振式缝隙阵 ResonantSlotArrays 下面介绍常见的谐振式缝隙阵 为保证各缝隙同相 相邻缝隙的间距应取为 g 由于波导波长 g大于自由空间波长 这种缝隙阵会出现栅瓣 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 因此实际中较少采用 开在宽壁上的横向谐振缝隙阵 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 g 2场强反相的特点 纵缝每隔 g 2交替地分布在中心线两侧即可得到同相激励 纵向谐振缝隙阵一 图中对应的螺钉需要交替地分布在中心线两侧 纵向谐振缝隙阵二 纵向谐振缝隙阵三 对于开在窄壁上的斜缝 相邻斜缝之间的距离为 g 2 斜缝通过切入宽壁的深度来增加缝隙的总长度 并且依靠倾斜角的正负来获得附加的 相差 以补偿横向电流 g 2所对应的 相差而得到各缝隙的同相激励 在谐振式缝隙阵的结构中 如果将波导末端改为吸收负载 让波导载行波 并且间距不等于 g 2 就可以构成非谐振式缝隙阵 显然 非谐振缝隙天线各单元不再同相 非谐振式缝隙阵 NonresonantSlotArrays 根据均匀直线阵的分析 非谐振缝隙天线阵的最大辐射方向偏离阵法线的角度为 非谐振缝隙天线适用于频率扫描天线 因为 与频率有关 波束指向 max可以随之变化 非谐振式天线的优点是频带较宽 缺点是效率较低 如果谐振式缝隙天线阵中的缝隙都是匹配缝隙 即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 匹配偏斜缝隙阵 图示的波导宽壁上的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 可使得缝隙所等效的归一化输入电导为1 其电纳部分由缝隙中心附近的电抗振子补偿 各缝隙可以得到同相 最大辐射方向与宽壁垂直 匹配偏斜缝隙天线阵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 其缺点是调配元件使波导功率容量降低 矩形波导缝隙天线阵的方向图可用方向图乘积定理求出 单元天线的方向图即为与半波缝隙互补的半波对称振子的方向图 阵因子决定于缝隙的间距以及各缝隙的相对激励强度和相位差 带宽 方向图 式中N为阵元缝隙个数 工程上波导缝隙天线阵的方向系数可用下式估算 方向系数 波导缝隙阵列由于其低损耗 高辐射效率和性能稳定等一系列突出优点而得到广泛应用 缝隙天线不仅仅是指矩形波导缝隙天线 而且还有异形波导面上的缝隙天线 例如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 波导缝隙阵列应用 a 圆突 矩形波导缝隙天线 b 扇面波导缝隙天线 其主要的研究热点为精确地计算相应缝隙的等效阻抗 5 2微带天线 MicrostripAntennas 微带天线是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 微带辐射器的概念首先由Deschamps于1953年提出来 但是 过了20年 到了20世纪70年代初 当较好的理论模型以及对敷铜或敷金的介质基片的光刻技术发展之后 实际的微带天线才制造出来 此后这种新型的天线得到长足的发展 已用于大约100MHz 100GHz的宽广频域上 包括卫星通信 雷达 遥感 制导武器以及便携式无线电设备上 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 体积小 重量轻 低剖面 能与载体共形 制造成本低 易于批量生产 天线的散射截面较小 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 易于和微带线路集成 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 对微带天线的分析可以用数值方法求解 精确度高 但编程计算复杂 适合异形贴片的微带天线 还可以利用空腔模型法或传输线法近似求出其内场分布 然后用等效场源分布求出辐射场 矩形微带天线 微带天线的基本工作原理可以通过考察矩形微带贴片来理解 用等效场源分析 RectangularPatchMicrostripAntenna 通常利用微带传输线或同轴探针来馈