北大天线理论课件：第六章__微带天线

第六章 缝隙天线与微带天线 §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 e

z 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 ˆ0

x e z l k E x e

z l k E E n

J z m z 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：

θ

θθsin )cos()cos cos(60kl kl r Ie j E jkr -=-

()()ϑ

ϑπϕsin 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：

()()ϑ

ϑπωϕ

sin cos cos cos kl kl r e E j E jkr m m

--=-

()ϑ

ϑμεπωθ

sin cos cos cos kl

kl r

e E j

H jkr

m m

-=-

在0

1) 理想缝隙与电对称阵子为互补天线； 2) 方向性相同，其方向函数为：

()()θ

θθsin cos cos cos kl

kl f -= 3) 场的极化不同，H 面、E 面互换，理想缝隙E 面无方向性，对称阵子H 面无方向性；

4) 二者辐射阻抗、输入阻抗乘积为常数，即：

辐射电阻2

)60(π=re rm R R 辐射阻抗2

)60(π=re rm Z Z 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(2

πrm

R 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。

6.1.2 缝隙天线

最基本的缝隙天线是开在矩形波导臂上的半波谐振缝隙，如下图所示。

1）波导壁电流分布

TE模，波导壁上有横向和纵向电流分量，波导内传输的主模为10

见上图。横向电流沿宽边呈余弦分布，中心处为零；纵向电流沿宽边

呈正弦分布，中心处最大。波导窄壁上只有横向电流，且沿窄边均匀

分布。

2）波导缝隙

辐射缝隙：缝隙切断电流线，中断的电流线以位移电流的形式延

续，缝隙因此受到激励，波导内传输的功率通过缝隙向外辐射，见图

中的a,b,c,d,e。

非辐射缝隙：缝隙与电流线平行，不能激励电场，不具有辐射能

力，见图中f。

3）波导缝隙与理想缝隙的区别

a)结构尺寸的限制，边界条件不同，存在绕射；

b)E面方向图发生畸变，H面方向图差别不大；

c)辐射功率和辐射电导为理想缝隙天线的一半。

4）波导缝隙的等效电路

波导开缝会对波导内部的传输特性产生影响，可以将缝隙等效成

传输线上并联导纳和串联阻抗，结合微波网络理论对其影响进行分

析。

波导开缝方式不同，缝隙的等效电路也不同。下图给出了各种波

导缝隙的等效电路。

如果缝隙的长度等于谐振长度，等效阻抗或导纳只有实部，虚部为零。下图给出了三种典型缝隙，其归一化电阻或电导与位置参数的关系为：

⎪⎪⎭

⎫ ⎝⎛⎪⎭⎫ ⎝⎛=g g

a x

b a g λπλπλλ2cos sin 09.22121 ⎪⎭⎫ ⎝⎛⎪⎭⎫ ⎝⎛⎪⎪⎭

⎫ ⎝

⎛=a x a ab r g

12223

cos 4cos 523.0ππλλλ

λ 2

2

332sin sin 1sin 2cos sin 131.0⎥⎥⎥

⎥⎥⎥⎦

⎤⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎣⎡⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛=θθλλθλπλθλλg g g b a g

6.1.3 缝隙天线阵

由开在波导上按一定规律排列、尺寸相同的缝隙构成。这里主要

介绍几种缝隙阵。 6.1.3.1 谐振式缝隙阵

所有缝隙同相激励，最大辐射方向与天线轴线垂直，是边射阵。常见的谐振式缝隙阵如下图所示。

图（a ）为开在宽壁上的横向缝隙阵，相邻缝隙间距为g

λ，以保

证同相激励。缺点是存在栅瓣，增益低，因此很少采用。

图（b ）为在宽壁中心线两侧每隔2

g λ交替开纵向缝隙组成的缝

隙阵。利用中心线两侧对称位置处横向电流反相、沿波导每隔2

g λ场强反相的特点保证同相激励。