第六章缝隙天线与微带天线.ppt

1、天线理论与技术,第六讲 缝隙天线与微带天线,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x0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x0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

2、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x0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

3、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,m0.002S,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。,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

4、，构成波导缝隙阵（Slot Arrays）。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。,6.2波导缝隙天线阵,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（Resonant Slot Arrays）,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,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

5、,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（Nonresonant Slot Arrays）,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

6、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

7、，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(Microstrip Antennas),微带天线是由导体薄片粘贴在背面有导体接地板的介

8、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100MHz100GHz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

9、化，容易实现双频段、双极化等多功能工作。,微带天线工作原理辐射机理,贴片尺寸为 ，介质基片厚度为 。 微带贴片可看作为宽a长b的一段微带传输线，其终端（a边）处因为呈现开路，将形成电压波腹。一般取 ， 为微带线上波长。于是另一端（a边）处也呈电压波腹。,微带天线工作原理辐射机理,电场可近似表达为（设沿贴片宽度和基片厚度方向电场无变化） 天线的辐射由贴片四周与接地板间的窄缝形成。由等效原理知，窄缝上的电场的辐射可由面磁流的辐射来等效。等效的面磁流密度为,微带天线工作原理辐射机理,沿两条a边的磁流是同向的，故其辐射场在贴片法线方向（z轴）同相相加，呈最大值，且随偏离此方向的角度的增大而减小，形成边

10、射方向图。 沿每条b边的磁流都由反对称的两部分构成，它们在H面（yz平面）上各处的辐射相互抵消；而两条b边的磁流又彼此呈反对称分布，因而在E面（xz平面）上各处，它们的场也都相消，在其它平面上这些磁流的辐射不会完全相消，但与沿两条a边的辐射相比，都相当弱。,微带天线工作原理辐射机理,矩形微带天线的辐射主要由沿两条a边的缝隙产生，该二边称为辐射边。由于接地板的存在，天线主要向上半空间辐射。对上半空间而言，接地板的效应近似等效于引入磁流 的正镜像。由于 ，因此它只相当于将 加倍，辐射图形基本不变。,微带天线工作原理分析方法,最早出现的也最简单的是传输线模型(TLM-Transmission Lin

11、e Model)理论，主要用于矩形贴片。 更严格更有用的是空腔模型(CM-Cavity Model)理论，可用于各种规则贴片，但基本上限于天线厚度远小与波长的情况。 最严格而计算最复杂的是积分方程法(IEM-Integral Equation Method)即全波(FW-Full Wave)理论。,微带天线工作原理分析方法,从原理上说，积分方程法可用于各种结构、任意厚度的微带天线，然而要受计算模型的精度和机时的限制。 从数学处理上看，第一种理论把微带天线的分析简化为一维的传输线问题；第二种理论则发展到基于二维边值问题的求解；第三种理论又进了一步，可计入第三维的变化，不过计算也费时得多。,微带天

12、线工作原理分析方法,这三种理论仍不断地在某些方面有所发展，同时也出现了一些别的分析方法。基于对积分方程法的简化，产生了格林函数法(GFA-Greens Function Approach)；而由空腔模型的扩展，出现了多端网络法(MNA-Multiport Network Approach)等。,传输线模型,分析微带天线的最简单而又适合某些工程应用的理论模型是传输线模型。 该模型将矩形微带贴片看成场沿横向（a边）没有变化的传输线谐振器场沿纵向（b边）呈驻波变化，辐射主要由两开路端（a边）处的边缘场产生。因此，微带天线可表示为相距b的两条平行缝隙（长a宽h）。,传输线模型,y=0处的缝隙等效面磁流

13、为 该磁流所产生的电矢位为,传输线模型,等效电路如图,传输线模型,惠勒（H.A.Wheeler）给出微带线的特性阻抗Zc的计算公式如下： w/h1 w/h1,传输线模型,施奈德（M.V.Schneider）已得出等效相对介电常数的一个简单经验公式：,矩形贴片天线的传输线模型,缝隙两端间有一辐射电导Gs，利用级数展开式表示，略去高阶项后可得近似结果如下：,矩形贴片天线的传输线模型,除辐射电导外，开路端缝隙的等效导纳还有一电容部分。它由边缘效应引起，其电纳可用延伸长度l来表示： 哈默斯塔德给出l的经验公式如下：,矩形贴片天线的传输线模型,当从辐射边对矩形贴片馈电时，将一条缝隙的导纳加上长为b的传输

14、线变换后的另一缝隙导纳，便得出微带天线的输入导纳：,矩形贴片天线的传输线模型,用延伸长度来表示电容效应，则可获得更简便的计算式：,矩形贴片天线的传输线模型,H面 E面,矩形贴片天线的传输线模型,半功率波瓣宽度近似值如下：,矩形贴片天线的E面方向图,矩形贴片天线H面方向图,矩形贴片天线的尺寸设计,空腔模型理论,罗远祉(Y.T.Lo)等在1979年提出了空腔模型理论。 基于薄微带天线(h0)的假设，将微带贴片与接地板之间的空间看成是四周为磁壁、上下为电壁的谐振空腔。 天线辐射场由空腔四周的等效磁流来得出，天线输入阻抗可根据空腔内场和馈源边界条件求得。,空腔模型理论,由复数形式的麦克斯韦方程可得 式中 化为标量方程,空腔模型理论,可用模展开法或模式匹配法求解方程。 模展开法即把解表示为各本征模的叠加。本征函数由求解无源区与波动方程得出： 在磁壁处需满足的边界条件为,空腔模型理论,可得内场的一般解 式中,空腔模型理论,求得内场，应用等效性原理得出外空间的场。四周为磁壁，切向磁场为零，因而等效电流也为零；但四周磁壁上有切向电场，故有等效磁流： 等效磁流源在远区产生的电矢位为,空腔模型理论,矩形贴片的本征函数和谐振波数,空腔模型理论,圆形贴片的本征函数和谐振波数,空腔模型理论,圆环贴片的本征函数和谐振波数,空腔模型理论,等边三角形贴片