缝隙天线与微带天线
实验8-微带缝隙天线设计
实验八：9.2微带缝隙天线设计
（自我认为仿真的最好的一个）
一、设计要求
设计一个微带缝隙天线，工作频率为3.75 GHz，采用内部端口馈电，开放边界条件(即基板处于空气中)。
基板的介电常数为2.33，厚度为30 mil，金属导带厚度为0.7 mil.
要求:建立天线的电磁结构模型，设计匹配网络使天线取得最大辐射功率。
对天线进行电磁仿真分析，观察电流及电场的分布情况。
记录微带天线的模型图、匹配电路图，以及名项电磁分析结果。
二、实验仪器
硬件：PC
软件：AWR软件
三、设计步骤
1、绘制缝隙天线
2、添加匹配结构
3、查看网格剖分
4、查看电流、电场分布
四、数据记录及分析
设置mil单位需要把Metric units去掉勾选！
1、绘制缝隙天线
测量天线反射特性：
在圆图中，S11参数距圆图中心很远，在矩形图中S11参数不到-10db，说明反射特性很差，还需要对天线进行匹配，使其能有最大辐射功率。
2、添加匹配结构
然后进行匹配调节：
这部分我觉得是这个实验我做的最后的一个部分！
进行匹配后，圆图S11在3.75Ghz时，非常接近圆心，x=-1.354×10^-5；在矩形图频率为3.75Ghz时，S11参数为-88.44dB。
3、查看网格剖分
4、查看电流、电场分布电流分布：
电场分布：。
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，常用于微波通信和无线通信系统中。
它是一种紧凑、低剖面的天线设计，具有优异的性能和灵活的安装方式。
本文将从原理、结构和应用三个方面介绍微带缝隙天线。
一、原理微带缝隙天线的原理基于微带线的共振效应和辐射效应。
它由一块导电衬底、一层介质材料和一条导电缝隙构成。
当微带线处于共振状态时，导电缝隙处会产生电流分布，进而产生电磁波辐射。
微带缝隙天线的工作频率取决于导电缝隙的长度和宽度，并且可以通过调整这些参数来满足不同频段的通信需求。
二、结构微带缝隙天线的结构相对简单，一般由导电衬底、介质材料和导电缝隙组成。
导电衬底一般采用金属材料，如铜或铝，用于提供天线的支撑和导电功能。
介质材料一般采用绝缘材料，如FR4或聚酰亚胺，用于隔离导电衬底和导电缝隙，并提供电磁场的传输介质。
导电缝隙是微带缝隙天线的关键部分，它的长度和宽度直接影响天线的工作频率和辐射特性。
三、应用微带缝隙天线广泛应用于无线通信系统中，包括手机、无线局域网、卫星通信等。
由于微带缝隙天线具有紧凑、低剖面的特点，适合于集成在小型设备中。
此外，它的工作频率范围广泛，可以满足不同频段的通信需求。
另外，微带缝隙天线还具有较好的辐射特性和阻抗匹配能力，能够提供稳定的信号传输和接收性能。
总结微带缝隙天线是一种紧凑、低剖面的天线设计，具有优异的性能和灵活的安装方式。
它的原理基于微带线的共振效应和辐射效应，结构简单，由导电衬底、介质材料和导电缝隙组成。
微带缝隙天线广泛应用于无线通信系统中，适用于手机、无线局域网、卫星通信等领域。
通过调整导电缝隙的参数，可以实现不同频段的通信需求。
微带缝隙天线的应用将进一步推动无线通信技术的发展，为人们的通信需求提供更好的解决方案。
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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（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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（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。
(天线技术)第8章缝隙天线和微带天线
将切割好的导电材料与绝缘材料组装在一起，使用适当的粘合剂 或机械固定方式进行固定。
测试与调整
完成制作后，对缝隙天线进行测试和调整，确保其性能符合设计 要求。
05
微带天线的设计与实现
微带天线的设计方法
确定工作频率
根据应用需求，确定微带天线的工作频率。
设计贴片形状和尺寸
根据理论公式和仿真软件，设计出合适的贴 片形状和尺寸。
性能特点的比较
缝隙天线
结构简单、易于加工、成本低，但带 宽较窄，增益较低。
微带天线
体积小、重量轻、易于集成，具有宽 频带和多频段特性，但效率较低、功 率容量有限。
应用场景的比较
缝隙天线
广泛应用于通信、雷达、导航等领域，尤其适用于低成本、小型化要求较高的 场合。
微带天线
广泛应用于卫星通信、移动通信、电子战等领域，尤其适用于需要集成度高、 体积小的场合。
天线技术的未来展望
多样化应用场景
随着5G/6G通信、物联网、 智能终端等应用的普及， 天线技术的应用场景将更 加多样化。
创新性技术突破
未来天线技术将不断涌现 出新的理论和技术，推动 天线性能的不断提升和应 用领域的拓展。
绿色环保理念
随着社会对环保的重视， 天线技术将更加注重绿色 环保理念，推动可持续发 展。
缝隙天线的历史与发展
缝隙天线最早可以追溯到19世 纪末期，当时主要用于无线电
报通信。
随着技术的发展，缝隙天线 在20世纪得到了广泛的应用， 特别是在雷达、卫星通信无线通信技术的 快速发展，缝隙天线在移动通 信、WiFi通信等领域的应用也
越来越广泛。
02
微带天线概述
微带天线的定义
06
微带天线的定义
微带天线的定义：在有金属接地板的介质基片上沉积或贴附所需形状金属条、片构成的微波天线。
它利用微带线或同轴线馈线馈电，在导体贴片与接地板之间激励器射频电磁场，并通过贴片四周与接地板间的缝隙向外辐射。
因此，微带天线也可以看作为一种缝隙天线。
通常介质基片的厚度与波长相比是很小的，因而它实现了一维小型化，属于电小天线的一类。
微带天线的结构：微带天线是由一块厚度远小于波长的介质板（称为介质基片）和（用印刷电路或微波集成技术）覆盖在它的两面上的金属片构成。
其中一片金属片完全覆盖介质板的一面，称为接地板，另一金属板的尺寸可以和波长相比拟，称为辐射元，辐射元的形状可以是方形、矩形、圆形、椭圆形等等。
微带天线的分类：（1）微带贴片天线导体贴片一般是规则形状的面积单元，如矩形、圆形或或圆形薄片等。
（2）微带振子天线天线同微带贴片天线相似，贴片是窄长条形的薄片振子（偶极子）。
（3）微带线型天线利用微带的某种形变（如弯曲、直角弯头等）来形成辐射。
（4）微带缝隙天线利用开在地板上的缝隙，由介质基片另一侧的微带线或其他馈线（如槽线）对其馈电。
微带天线的馈电技术对微带天线的激励方式主要分为两大类：直接馈电法和间接馈电法。
直接与贴片相接触的方法称之为直接馈电法，目前普遍采用的有同轴背馈法和微带线侧馈法。
与贴片无接触的激励方法就是间接馈电法，此类方法主要有：电磁耦合法，缝隙耦合法和共面波导馈电法等。
馈电技术直接影响到天线的阻抗特性，所以也是天线设计中的一个重要组成部分。
微带天线工作原理——辐射机理：贴片尺寸为a ×b,介质基片厚度为h 。
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b ≈m λ/2 ，m λ 为微带线上波长。
于是另一端（a 边）处也呈电压波腹。
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） E z =0E )b /(cos x π 天线的辐射由贴片四周与接地板间的窄缝形成。
第5章 缝隙天线与微带天线解析
第5章 缝隙天线与微带天线
三、 缝隙天线阵（Slot Arrays）
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
振子辐射场的极化方
f ( ) cos(kl cos ) cos kl
向相互正交，其它特
sin
H面 性完全相同。
第5章 缝隙天线与微带天线
半 波 缝 隙 天H面线 方的 向 图 z
y
x＜ 0
x＞ 0
(a)电力线；
(b)磁力线
二、 第缝5章隙天缝线隙天线与微带天线
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。
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
2 g
d
对于图 (b)的缝隙天线阵，相邻缝隙除行波的波程差
2 g
d
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
。 2 d g
第5章 缝隙天线与微带天线
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：
是曲面形状。
(a)
(b)
(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:
D 3.2N
第5章 缝隙天线与微带天线
第二节 微带天线
微带天线(Microstrip Antennas)：
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
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。
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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
Pr ,m
1 um 2 Rr ,m
2
（5―1―8）
半波 缝隙天 线 H 的 面方 向图 z
y
x＜ 0
x＞ 0
图5―1―2
(a)电力线；(b)磁力线
将电对称振子的场强表达式（ 1―4―4 ）与缝隙的 场强表达式（5―1―5）对比可知，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和电对称振 子的波腹处电流值Iem应满足下面的等式:
Em cos(kl cos ) cos(kl ) jkr E j e e （5―1―5） r sin Em cos(kl cos ) cos( kl ) jkr m H j e e r sin
m
(5―1―6）
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（5 ― 1―5）式和 （5―1―6）的负值。 我们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，
（5―1―11）式可以推广到辐射阻抗，即 Zr,mZr,e=(60π)2 还可以推广到输入阻抗，即 Zin,mZin,e=(60π)2
1―12）和式（5―1―13）表明，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λ /2，且缝隙越宽， 缩短程度越大。
E( z) Em sin[k (l z ]ey
（5―1―1）
式中Em为缝隙中波腹处的场强值。如果引入等效 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
J m n E
x0
Em sin[k (l z )]ez
（5―1―2）
也就是说,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。当讨论远区的 辐射问题时，可以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
缝隙天线与微带天线
1 缝隙天线 2 微带天线
1 缝隙天线
1.1 理想缝隙天线 如图5―1―1所示， 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， 它可以由同轴传 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。
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
Rr,m Rr ,e (60 )
2
（5―1―11）
因此，理想半波缝隙天线的辐射电阻为
Rr ,m
(60 ) 500 73.1
2
与之对应的辐射电导 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。
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。
波导缝隙 理想缝隙
图5―1―4 宽边上纵缝的E面方向图
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。
实验和计算均表明，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。对于宽边上的纵缝， 由于沿 E 面的电尺寸对标准波导来说只有 0.72λ ，所以 其E面方向图的差别较大（如图5―1―4所示）；而开在 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。
Um 60 I
e m
（5―1―9）
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 e2 Pr ,e I m Rr ,e 2
（5―1―10）
由式（ 5―1―8 ）、（ 5―1―9 ）和式（ 5―1―10 ），可
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：