第六章缝隙天线与微带天线分析
波导缝隙天线分析与研究
波导缝隙天线分析与研究波导缝隙天线是一种广泛应用于无线通信领域的设备，它的性能优劣直接影响到无线通信系统的性能。
本文将围绕波导缝隙天线展开分析与研究，具体包括其定义、特点、应用场景等方面，并对其优缺点进行深入探讨。
波导缝隙天线定义与特点波导缝隙天线是一种利用波导窄边缝隙作为辐射源的微波天线，它主要由波导和缝隙两个部分构成。
波导通常采用传输线形式，通过在波导窄边开缝产生辐射，实现电磁波的发射和接收。
波导缝隙天线具有结构简单、易于制造、成本低等优点，同时具有高辐射效率、宽频带及良好定向性等优良特性。
波导缝隙天线应用场景波导缝隙天线因其优良的性能而被广泛应用于卫星通信、移动通信和互联网等多个领域。
卫星通信在卫星通信领域，波导缝隙天线被广泛应用于地球站、卫星地面站等场所。
作为一种典型的微波通信方式，卫星通信对天线的性能要求较高，而波导缝隙天线的高辐射效率、宽频带及良好定向性等特点恰好满足其需求。
通过与其他微波器件的配合，波导缝隙天线可用于实现卫星通信链路的发送和接收。
移动通信在移动通信领域，波导缝隙天线同样具有广泛的应用。
例如，在基站建设中使用波导缝隙天线可以增强信号覆盖范围和提高信号质量。
波导缝隙天线还被用于移动终端设备中，以提高设备的通信性能。
互联网在互联网领域，波导缝隙天线主要应用于无线局域网（WLAN）和微波接入互联网（WiMAX）等无线通信系统。
在这些系统中，波导缝隙天线作为发射和接收装置，可以实现高速无线数据传输。
同时，其宽频带及良好定向性的特点有助于提高无线通信系统的容量和稳定性。
波导缝隙天线优缺点波导缝隙天线具有许多优点，如结构简单、易于制造、成本低等。
同时，它还具有高辐射效率、宽频带及良好定向性等优良特性。
然而，波导缝隙天线也存在一些缺点，主要表现在以下几个方面：交叉极化性能较差交叉极化是衡量天线性能的重要指标之一，它表示天线的辐射方向图中主极化分量与交叉极化分量的比值。
在实际应用中，波导缝隙天线的交叉极化性能较差，这可能导致信号质量的下降。
缝隙天线
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裂缝天线与微带天线的特点
裂缝天线与微带天线的特点 在结构上。天线元的三维尺寸一般小于波长，而且一维的尺寸（厚 度）更是远小于波长，长称为“低剖面”天线。 在工作原理上，裂缝天线看成是磁流激励的磁振子，而微带天线可 以看作是端部开缝的泄漏波介质谐振腔。 裂缝天线与微带天线的优点 这种天线的厚度极小，适宜安装在飞机和航天飞行器的壳体上，既不 向外凸出影响飞行器的空气动力特性，也不想内凹进影响其它设备 的安装。此外，这种天线还具有结构牢固，造价简单，馈电方便的 优点。 裂缝天线与微带天线的缺点 频带窄、功率容量低
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对偶
H
e t1
金属薄片振子
S1
:Etm1
0,H
m t1
0;
S2
:Etm20Hm t20;S1
:H
e t1
0Ete1
0;
S2
:H
e t2
0,te2
0;
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缝隙的电场边界条件与振子的磁场边界条件相同，缝 隙的磁场边界条件和振子的电场边界条件相同
5
工作在TE10模的矩形波导的壁电流分布
Js nˆ H s
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6
（一）谐振缝隙振
最大辐射方向
g
最大辐射方向
各个缝隙同相激励，最大辐射方向与波导的轴线垂直
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7
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8
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9
（二）非谐振式缝隙阵
d
d g
2
2 d g
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2
半波对称振子的辐射场
微带缝隙天线原理
微带缝隙天线原理微带缝隙天线是一种常见的天线结构，它利用微带线和缝隙的特性来实现辐射和接收电磁波的功能。
本文将介绍微带缝隙天线的原理以及其在通信领域中的应用。
一、微带缝隙天线的原理微带缝隙天线是一种基于微带线的射频天线，其结构主要由导体片、介质基板和接地板组成。
其中，导体片通过缝隙与接地板相连，形成一个闭合的电路环路。
当外界电磁波作用于导体片上时，导体片会受到激励并产生电流，从而实现电磁波的辐射和接收。
微带缝隙天线的工作原理可以用谐振模式来解释。
当微带缝隙天线处于谐振状态时，导体片上的电流会以特定的频率进行振荡。
这种谐振频率取决于导体片的几何形状、尺寸以及基板的电特性。
通过调整这些参数，可以使微带缝隙天线在特定的频段内表现出较好的工作性能。
二、微带缝隙天线的应用微带缝隙天线由于其简单的结构和良好的性能，在通信领域中得到了广泛的应用。
以下是几个常见的应用场景：1. 无线通信：微带缝隙天线可以用于手机、无线局域网、蓝牙等无线通信设备中，实现信号的传输和接收。
2. 卫星通信：微带缝隙天线可以用于卫星通信系统中，提供稳定的信号传输和接收能力。
3. 雷达系统：微带缝隙天线可以用于雷达系统中，实现目标的探测和跟踪功能。
4. 航空航天：微带缝隙天线可以用于航空航天领域，实现飞机和卫星的通信需求。
5. 军事通信：微带缝隙天线可以用于军事通信系统中，提供安全可靠的通信保障。
三、微带缝隙天线的优势与传统的天线相比，微带缝隙天线具有以下优势：1. 尺寸小巧：微带缝隙天线采用微带线作为辐射元件，具有尺寸小巧的特点，适用于对天线体积有限的场景。
2. 制作简单：微带缝隙天线的制作工艺相对简单，成本低廉，适合大规模生产。
3. 宽带性能：微带缝隙天线在一定频段内具有较好的工作性能，能够实现宽带通信需求。
4. 方向性辐射：微带缝隙天线具有一定的方向性辐射特性，可以实现特定方向的信号传输和接收。
微带缝隙天线是一种基于微带线的射频天线，利用导体片和缝隙的特性实现电磁波的辐射和接收。
《微波技术与天线》第六章 天线.ppt
29
天线的的方向图参数
旁瓣电平
指离主瓣最近且电平最高的第一旁瓣电平（dB）。 不需要辐射的区域电平应尽可能低。
前后比
最大辐射方向（前向）电平与其相反方向（后向）电平 之比。（dB）
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天线的的方向图参数
方向系数D
在离天线某距离处，天线在最大辐射方向上的辐射功
率流密度Psmax 与相同辐射功率的理想无方向性天线 在同一距离处的辐射功率流密度Ps0之比（dB）。
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基本振子的辐射
结论
比较电基本振子的远区场Eθ与磁基本振子的远区 场Eφ，可以发现它们具有相同的方向函数|sinθ|, 而且在空间相互正交，相位相差90°。
所以将电基本振子与磁基本振子组合后，可构成 一个椭圆（或圆）极化波天线。螺旋天线为该情 况。
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天线的电参数
天线方向图参数 天线效率 增益系数 极化特性 频带宽度 输入阻抗 有效长度
设有一电阻RΣ, 当通过它的电流等于天线上的最大电 流时, 其损耗的功率就等于其辐射功率。
辐射电阻的高低是衡量天线辐射能力的一个重要指标： 辐射电阻越大，天线的辐射能力越强。
A
R R RL
1 1 RL
R
中长波和电尺寸很小的天线中：R∑小， RL大，ηA小， 仅百分之几； 202超0/4/27短波、微波，电尺寸可以做的很大， ηA→１。 35
如果通信的一方是剧烈摆动或高速运动着的，为了提 高通信的可靠性，发射和接收都应采用圆极化天线。
如果雷达是为了干扰和侦察对方目标，也要使用圆极 化天线。典型的例子是车载GPS常用的圆极化天线。
在人造卫星、宇宙飞船和弹道导弹等空间遥测技术中， 由于信号通过电离层后会产生法拉第旋转效应, 因此 其发射和接收也采用圆极化天线。
缝隙天线与微带天线
1.2 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。由电磁场理论，对 TE10 波而言，如 图5―1―3所示，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；
c h a g b f d
e
图5―1―3 TE10波内壁电流分布与缝隙配置示意图
参见图5―1―2，但是两者具有相同的方向性，其方向函 数为
cos(kl cos ) cos kl f ( ) sin
（5―1―7）
例如,理想半波缝隙天线(2l=λ /2)的H面方向图如 5―1―2(b)图所示，而其E面无方向性。理想缝隙天线同 样可以计算其辐射电阻。如果以缝隙的波腹处电压值 Um=Emw为计算辐射电阻的参考电压，缝隙的辐射功 率Pr,m与辐射电阻Rr,m之间的关系为
而波导窄壁上只有横向电流，且沿窄边均匀分布。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，例如图5―1―4所示的缝隙a、b、c、 d、e。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，如缝隙f。
I
m
l
E dl
（5―1―3）
对于x>0的半空间内，其等效磁流强度为
I 2Em sin[k (l z )]
m
（5―1―4）
上式中的磁流最大值为2Emw。
z
＝ ∞
2l
y
图5―1―1 理想缝隙的坐标图
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
微带天线顶级教程
微带天线顶级教程微带天线§6.1 缝隙天线缝隙天线：开在波导或谐振腔上缝隙，用以辐射或接收电磁波。
6.1.1 理想缝隙天线理想缝隙天线：开在无限大、无限薄的理想导体平面上的直线缝隙，用同轴传输线激励。
假设位于yoz 平面上的无限大理想导体平面上开有宽度为ω（λω<<）、长度2/2λ=l 的缝隙。
缝隙被激励后，只存在垂直于长边的切向电场，并对缝隙的中点呈对称驻波分布，其表达示为：()()[]y m ez l k E z E ˆsin --=m E ---缝隙中间波腹处的场强值。
缝隙相当于一个磁流源，由电场分布可得到等效磁流密度为：()[]()[]⎩⎨⎧<-->-=⨯-==0,ˆsin 0,ˆsin ˆ0x e z l k E x ez l k E E nJ z mz m z m等效磁流强度为：()[]()[]⎩⎨⎧<-->-=⋅=⎰0,sin 20,sin 2x z l k E x z l k E l d E I m m l m ωω 也就是说，缝隙可等效成沿Z 轴放置的、与缝隙等长的线状磁对称阵子。
根据对偶原理，磁对称阵子的辐射场可由电对称阵子的辐射场对偶得出。
对于电对称阵子，电流分布为：)(sin )(z l k I z I -=辐射场表达式：θθθsin )cos()cos cos(60kl kl r Ie j E jkr -=- ()()ϑϑπϕsin cos cos cos 2kl kl r Ie j H jkr -=- 由此得到0>x 半空间，磁对称阵子的辐射场为：()()ϑϑπωϕsin cos cos cos kl kl r e E j E jkr m m--=-输入阻抗2)60(π=ine inm Z Z任意长度的理想缝隙天线的输入阻抗、辐射阻抗均可由与其互补的电对称阵子的相应值求得。
例如，半波对称阵子的辐射阻抗为Ω=1.73re R ，理想半波缝隙天线的辐射电阻应为：Ω==5001.73)60(2πrmR 由于谐振电对称阵子的输入阻抗为纯阻，因此谐振缝隙的输入阻抗也为纯阻，并且其谐振长度同样稍短于2λ，且缝隙越宽，缩短程度越大。
微带缝隙天线原理
微带缝隙天线原理微带缝隙天线是一种新型的天线结构，它是由一块金属板和一个介质基板组成的。
在金属板上开一个缝隙，形成一个微带线，然后在微带线的两端接上馈线，就形成了微带缝隙天线。
微带缝隙天线具有体积小、重量轻、易于制造、频率可调、辐射方向可控等优点，因此在通信、雷达、卫星通信等领域得到了广泛应用。
微带缝隙天线的原理是利用微带线的谐振特性来实现天线的辐射。
当微带线的长度等于1/2波长时，微带线会产生谐振，从而形成一个谐振腔。
当馈线向微带线输入电磁波时，电磁波会在谐振腔内反复反射，从而形成了一种谐振模式。
这种谐振模式会在微带线的缝隙处辐射出去，形成天线的辐射场。
微带缝隙天线的辐射特性与微带线的长度、宽度、厚度、介质常数、缝隙的位置和大小等因素有关。
通过调整这些因素，可以实现微带缝隙天线的频率可调和辐射方向可控。
例如，当微带线的长度增加时，天线的工作频率会降低；当微带线的宽度增加时，天线的辐射方向会向水平方向偏移。
微带缝隙天线的制造方法主要有两种：印刷电路板法和微电子加工法。
印刷电路板法是将微带线和馈线印刷在介质基板上，然后通过化学腐蚀或机械加工的方式制作出缝隙。
微电子加工法是利用微电子加工技术在介质基板上制作出微带线和缝隙，然后再将馈线连接上去。
这两种方法都具有制造简单、成本低廉的优点。
总之，微带缝隙天线是一种体积小、重量轻、易于制造、频率可调、辐射方向可控的新型天线结构。
它的原理是利用微带线的谐振特性来实现天线的辐射。
通过调整微带线的长度、宽度、厚度、介质常数、缝隙的位置和大小等因素，可以实现微带缝隙天线的频率可调和辐射方向可控。
微带缝隙天线的制造方法主要有印刷电路板法和微电子加工法。
缝隙天线与微带天线
I
m
E dl E dl
ll
对于x>0的半空间内，其等效磁流强度为
I 2Em sin[k (l z )]
m
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 Em cos(kl cos ) cos(kl ) jkr m E j e e r sin Em cos(kl cos ) cos( kl ) jkr m H j e e r sin
2l
y
E( z) Em sin[k (l z ]ey
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
J m n E
x0
Em sin[k (l z )]ez
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。
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
目受到限制，增益较低，因此实际中较少采用。
g g / 2
g
(a ) 活塞
纵向谐振缝隙阵二
图中对应的螺钉需要交替地分布在中心线两侧。Leabharlann g / 2g / 2
(c)
/2 纵向谐振缝隙阵三
g
对于开在窄壁上的斜缝，相邻斜缝之间的距离为λg/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 π相差，以补偿横向 g / 2 电流λg/2所对应的π相差而得到各缝隙的同相激励。
5.1 缝隙天线
5.1.1 理想缝隙天线
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λ/2。
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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。
谐振式缝隙阵（Resonant Slot Arrays）
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。
下面介绍常见的谐振式缝隙阵
开在宽壁上的横向谐振缝隙阵
为保证各缝隙同相，相邻缝隙的间距应取为λg。由于波导波长λg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
方向性
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
cos(kl cos ) cos kl f ( ) sin
例
理想半波缝隙天线(2l=λ/2)，H面方向图如右图所示，而 其E面无方向性。
半波缝隙天线的 H 面方向图 半波缝隙天 H 面 线 方 的向 图
z
y
缝隙的场矢量线分布图 (a)电力线；(b)磁力线
max
arcsin 2 d
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。 非谐振式天线的优点是频带较宽，缺点是效率较低。
匹配偏斜缝隙阵
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Leabharlann 天线阵。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
5.1.1 理想缝隙天线
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λ/2。
z
＝ ∞
坐标图
2l
y
辐射场
z
＝ ∞
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
x＜ 0
x＞ 0
理想缝隙天线 辐射电阻
以缝隙波腹处电压值Um=Emw为计算辐射 电阻的参考电压，则
缝隙的辐射功率
Pr ,m
1 um 2 Rr ,m
2
缝隙辐射电阻
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
Um 60 I
e m
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1 e 2
和半波振子类似，理想半波缝隙天线的 输入电阻也为500Ω，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。
6.2波导缝隙天线阵
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 （ 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。
/2
x1
g /2
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δ，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。
带宽
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。 方向图
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。
方向系数
工程上波导缝隙天线阵的方向系数可用下式估算：
D 3.2 N
式中N为阵元缝隙个数。
波导缝隙阵列应用 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。
I
m
E dl E dl
ll
对于x>0的半空间内，其等效磁流强度为
I 2Em sin[k (l z )]
m
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 Em cos(kl cos ) cos(kl ) jkr m E j e e r sin Em cos(kl cos ) cos( kl ) jkr m H j e e r sin
Pr ,e 2 I m Rr ,e
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：
Rr,m Rr ,e (60 )
Rr ,m
2
因此，理想半波缝隙天线的辐射电阻为
(60 )2 500 73.1
Gr,m≈0.002S
理想半波缝隙天线的辐射电导
理想缝隙天线
输入电阻
2l
y
E( z) Em sin[k (l z ]ey
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
J m n E
x0
Em sin[k (l z )]ez
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。
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
(c)
(d )
非谐振式缝隙阵（Nonresonant Slot Arrays） 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 λg/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。
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
目受到限制，增益较低，因此实际中较少采用。
g g / 2
g
(a ) 活塞
纵向谐振缝隙阵二
图中对应的螺钉需要交替地分布在中心线两侧。
g / 2
g / 2
(c)
/2 纵向谐振缝隙阵三
g
对于开在窄壁上的斜缝，相邻斜缝之间的距离为λg/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 π相差，以补偿横向 g / 2 电流λg/2所对应的π相差而得到各缝隙的同相激励。