天线原理与设计—第六章缝隙天线和波导缝隙天线阵
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。
缝隙天线与微带天线演示文稿
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
第13页，共54页。
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，
电阻Rr,e的关P系r,e 为 12
I
e m
2
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,mRr,e (60 )2
因此，理想半波缝隙天线的辐射电阻为
Rr ,m
(60 )2
73.1
500
理想半波缝隙天线的辐射电导 Gr,m≈0.002S
第10页，共54页。
理想缝隙天线 输入电阻
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 / 2 ，m为 微带线上波长。于是另一端（a边）处也 呈电压波腹。
第27页，共54页。
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）
Ez E0 cos(x / b)
天线的辐射由贴片四周与接地板间的窄
第39页，共54页。
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Δl来表示：
Bs Yc tan(l)
哈默斯塔德给出Δl的经验公式如下：
l 0.412h
e 0.3
w 0.264 h
e 0.258 w 0.8
h
S波段圆柱波导缝隙阵列天线设计
S波段圆柱波导缝隙阵列天线设计摘要：本文介绍了S波段圆柱波导缝隙阵组成的圆形阵列天线设计,通过底部馈源的馈电，经圆柱波导壁隙缝阵辐射，实现水平极化和全向特性。
利用Ansoft HFSS仿真设计并加工试验，实测结果与仿真结果吻合较好。
对于实际生产中性能超差的阵列天线采用加载阻抗匹配环的方法进行性能优化，使该阵列天线性能达到最优。
测试表明，该阵列天线的驻波≤2.5，相对带宽10%，Ｈ面全向最大增益为5.0dBi，垂直面波束宽度≥40。
关键词：缝隙；极化；全向；阵列0引言全向天线广泛应用于的军事、通信、广播等领域。
全向天线的极化形式有水平极化、垂直极化和圆极化，垂直极化近似电偶极子的辐射，水平极化近似磁偶极子的辐射。
本文介绍的水平极化全向天线是一种圆柱波导缝隙天线组成圆形阵列，该阵列天线结构简单，易于加工，可应用于S频段通信系统。
1 圆形阵列天线原理均匀圆形阵列（UCA）的辐射单元是等间距均匀分布于圆的外围且等幅同相激励，远场坐标用（）表示，如图1所示，圆形阵列辐射函数是在单元因子与阵列因子的共同作用下产生，见图2，其相应的方位面内远场表达式（1）为：本文介绍的是S波段波导缝隙天线共形阵，极化方式为水平极化。
圆柱波导上的缝隙阵结构如图4所示，其中r为圆柱形空腔内半径，d0为双层铅锤缝隙的间距，d1为第一层缝隙中心与地板的间距。
本阵列天线使用二级过渡匹配柱作为馈源对缝隙阵列馈电，由单元缝隙组成的圆形阵列天线在阵中均匀分布7个缝隙，分上下两层，缝隙的纵向间距相同。
为了有效形成全向性方向图，在每个缝隙旁附加一个耦合探针，通过探针耦合能够有效产生一个水平面全向的方向图。
为了提高天线的不圆度，探针位置在纵向上交错分布，即第一行探针在缝隙的左边，第二行在缝隙的右边，且耦合探针位于缝隙中心处[3]。
3 仿真结果及分析利用高频仿真软件HFSS建立仿真结构图（见图5），并进行仿真计算，天线的各项参数设置为：圆柱形空腔的内径2a=1.1λ0，单元缝纵向间距d0为0.7λ0，横向缝隙在圆周上数量s为7，销钉直径为0.02λ0，销钉长度为λ0/4，缝隙宽度为2mm，缝隙长度为0.5λ0，缝隙中心与地板间距d1为0.75λ0。
波导缝隙阵列天线分析与设计的开题报告
波导缝隙阵列天线分析与设计的开题报告一、选题背景随着无线通信技术的发展和普及，天线作为无线通信系统的重要组成部分，其性能的优劣也越来越受到广泛关注。
在无线通信系统中，天线的产生的电磁波能量和天线自身内部的电磁波相互作用会对天线的性能产生一定的影响，因此设计高性能天线是无线通信系统发展中的重要问题之一。
波导缝隙阵列天线是一种常见的高性能天线结构，在国外已经得到了广泛的应用。
波导隙缝天线具有指向性好、高增益、广带宽、抗多径干扰等优点，在卫星通信、雷达测量、无线电视、定位导航等领域得到了广泛应用。
因此，深入研究波导隙缝天线的性能分析和设计方法具有重要意义。
二、研究内容本课题旨在采用电磁场仿真软件对波导隙缝天线进行分析和设计，并研究其性能指标的优化方法。
具体研究内容包括：1. 建立波导隙缝天线的几何模型并进行三维电磁场仿真；2. 分析波导隙缝天线的辐射特性和阻抗匹配特性；3. 优化波导隙缝天线的性能指标，如增益、带宽、方向图等；4. 设计并制作波导隙缝天线，进行实际测试，并与仿真结果进行对比分析。
三、研究意义通过对波导隙缝天线的性能分析和设计，可以提高天线的性能，适应不同通信系统的需求，为通信系统的发展提供支持。
同时，本课题的研究成果可以拓宽国内波导隙缝天线的应用领域和研究方向，提高国内无线通信技术的水平，推动我国相关产业的发展。
四、研究方法本课题采用电磁场仿真软件对波导隙缝天线进行分析和设计。
选用常用的电磁场仿真软件，如CST、Ansys等软件，对波导隙缝天线的电磁场进行三维仿真分析，获得天线的辐射特性和阻抗匹配特性。
在此基础上，通过对天线结构的参数设计，优化目标函数，达到提高性能指标的目的。
最后，根据优化结果设计波导隙缝天线，制作并进行实际测试，并与仿真结果进行对比分析。
五、预期成果1. 波导隙缝天线的三维电磁场仿真模型和分析结果；2. 波导隙缝天线的阻抗匹配电路设计和优化结果；3. 波导隙缝天线的性能指标优化结果，如增益、带宽、方向图等；4. 波导隙缝天线的实际测试结果和对比分析。
SIW缝隙阵天线精编版
谐振式SIW缝隙阵天线
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λg/2场强反相的特点，纵 缝每隔λg/2交替地分布在中心 线两侧即可得到同相激励。
对一端馈电的缝隙阵列， 所有归一化缝隙谐振电导 的总和必须等于1
7
16x16 SIW缝隙阵天线
E field
3D radiation pattern
基于SIW（基片集成波导） 的缝隙阵天线设计
1
1、SIW的结构和特性 2、缝隙天线的原理 3、SIW缝隙阵天线的设计 4、实验测试结果
2
导波结构的特点
波导导波结构
SIW导波结构
平面导波结构
采用LTCC或PCB技术，可以用周期性的金属 通孔来构造类似波导的导波结构，从而把 波导集成在平面电路板内部，这种结构称 为基片集成波导（简称SIW）
3
SIW等效矩形波导
经验公式： a RWG ? a a
其中：a
?
?1 ?
p d
?
?2 ?1 ? ?2 ? ?3
?3 ? ?1
?1
?
1.0198 ?
a
/
0.3465 p ? 1.0684
?2
?
? 0.1183
?
a
/
1.2729 p ? 1.2010
?3
?
1.0082
?
0.9163 a / p ? 0.2152
8
16x16 SIW缝隙阵天线
16x16阵列SIW缝隙天线实物
H-plane (Gain=24.5 dB)
E-plane
9
基于SIW的11GHz 无线通信RF子系统
10
3.6GHz 1x4 SIW谐振式缝隙阵天线
波导缝隙全向天线的设计与分析
波 导缝 隙全 向天线 的设计 与分析
杨 倩， 李迎松 ， 晓冬 ， 杨 李晓川 ， 刘乘 源
（ 尔滨 工 程 大 学 信 息 与通 信 工程 学院 ， 龙 江 哈 尔滨 １０ ０ ） 哈 黑 ５０ １
摘
要： 设计了一种波导宽边细缝缝 隙天线 ， 并利用 Ａ ｓｆ公司的电磁仿真软件 Ｈ Ｓ ｈｇ ｅｕ ｎｙｓ ｕｔｒ ｓ ｕａ ｒ ｎｏ ｔ Ｆ Ｓ（ ｉ ｆ ｑ ｅｃ ｒｃｕｅ ｉ ｌｔ ） ｈｒ ｔ ｍ ｏ
Ｄｅ ｉ ｎ ａ ｄ ａ ａ ｙ ｉ ｆｗｉ ｅ ｗａ ｌｓｏ ｔ ｄ－ ｖ ｇ ｉ ｅ ａ ｒ ｙ ｓｇ ｎ ｎ ｌ ｓｓｏ ｄ ｌ ｌ ｔｅ ｗａ ｅ ｕ ｄ ｒ ａ
Ｙ Ｎ ｉ ， Ｉ ｉｇｓｎ ， Ａ Ｇ Ｘ ａ －ｏ ｇ Ｌ ｉｏｃ ｕ ｎ Ｌ Ｕ Ｃ ｅ ｇｙ ａ Ａ Ｇ Ｑ ａ Ｌ ｎ － ｇ Ｙ Ｎ ｉｏｄ ｎ ， Ｉ ａ － ａ ，Ｉ ｈ ｎ － ｎ ｎ Ｙ ｏ Ｘ ｈ ｕ
ｔ ｅ ｒ Ｓｏ ｔ ｄ－ ｖ ｇ ｄ ｒ ｙ Ａｎ ｅ ａ ａ ｄ ｔａ ｚ ｉ ａ ｔ ｐ － ｄｅ ．Ｔｈ ｎ， Ｓ ｏ ｔｄ － ｖ ｇ ｄ ｒ ｙ Ａｎ ｅ ａ ｉ ｈ ｏ ｙ， ｌｔｅ ｗａ ｅ ｕｉ ｅ Ａｒａ ｔｎｎ ｎ ｒ ｐｅ ｏ ｄ ｌｓｅ ｉ ｘ ｎ ｅ ｌ ｔｅ ｗａ ｅ ｕｉ ｅ Ａｒａ ｔｎｎ ｓ
ｅｅ ｔｏ ｇ ｅ ｉ ｉ ｌｔ ｏｔ ｒ ｉ ｈｉ ｖ ｎ ｅ ｌ ｃｒ ｍａ ｎ ｔｃｓｍｕ ａｅｓ ｆ ｗａ ｅｗｈ ｃ ｓｉ ｅ ｔ ｄｂｙＡｎｓ ｆ Ｉ ａ ｉｅｔ ｅｒ ｔ ｒ ｏ ｓａ ｄ ｄ ｒ ｃ ｉｉｙｏ ｉ ｌｔｅ ｎ ｏｔ ｔ ｎｇｖ ｈ ｅ ｕ ｎｌ ｓ ｎ ｉｅ ｔｖ ｔ ｆ ｈ ｓＳ ｏｔｄ— ． ｃ ｔ ｗａ ｅ ｕｉ ｅ Ａｒａ ｔｎｎ ．Ｆｉｓ ，ｔ ｅ Ｓ ｏｔ ｄ－ ｖ ｇ ｉ ｅ Ａｒａ ｔｎｎ ｌ ｂ ｅ ｉｎ ｄ ａ ｃ ｒ ｎ ｏ ｗａ ｅ ｕｉｅ ｖ ｇ ｄ ｒ ｙ Ａｎ ｅ ａ ｒｔ ｈ ｌｔｅ ｗａ ｅ ｕ ｄ ｒ ｙ Ａｎｅ ａ ｗｉ ｅ ｄ ｓｇ ｅ ｃ ｏ ｄｉ ｇ ｔ ｖ ｇ ｄ ｌ
天线原理与设计复习
；
(b)
定义 2：在某方向产生相同电场强度的条件下，理想电源的输入功
率
Poin
与某天线的输入功率
Pin
的比值。即：
G (θ0,ϕ0 )
=
Poin Pin
与方向性系数的关系： G (θ0,ϕ0 ) = ηaD(θ0,ϕ0 )
何谓理想点源天线？ 试述方向性系数定义式(a)与增益定义式(b)的不同。 ●极化，输入阻抗 Zin 、频带宽度 Δf ，有效面积和长度 Se 、 Le ，天线 效率ηa 。 圆极化天线的辐射电场有哪些分量，它们之间满足何关系？ 什么是交叉极化？ 何谓极化匹配和阻抗匹配？收发天线之间的极化失配因子。 天线有效面积和有效长度公式。 ●天线与发射机、接收机的等效电路。 何谓共扼匹配？ 简 述 若 不 计 天 线 损 耗 ，则 共 轭 匹 配 时 天 线 的 辐 射 功 率 只 有 信 号 源 所 能供给的总功率的一半。 简 述 如 果 不 计 天 线 热 损 耗 ，共 轭 匹 配 时 要 使 天 线 截 获 到 的 功 率 的 一 半传送给接收机，则天线必定要将另一半散射掉。
(α
=
±π
,m
= 1,
d
=
λ ),
2
4
f12
=
π 2 cos[
4
(cosθ
∓ 1)] ；
等幅同相( d = λ /2 ) 等幅反向( d = λ /2 )
α =π /2
α = −π / 2
2、均匀直线阵
4
(1) 阵因子
fa
(θ
)
=
sin (
sin
Nψ
(ψ /
/ 2) 2)
,
ψ = β d cosθ − α ;
用HFSS仿真波导缝隙天线
项目七 用HFSS仿真波导缝隙天线
图7－3
项目七 用HFSS仿真波导缝隙天线
实验证明，沿波导缝隙的电场分布与理想缝隙的几乎一 样，近似为正弦分布，但由于波导缝隙是开在有限大的波导 壁上的，辐射受没有开缝的其他三面波导壁的影响，因此是 单向辐射。
单缝隙天线的方向性是比较弱的，为了提高天线的方向 性，可在波导的一个壁上开多个缝隙组成天线阵。这种天线 阵的馈电比较方便，其天线和馈线集于一体。适当改变缝隙 的位置和取向就可以改变缝隙的激励强度，以获得所需要的 方向性。其缺点是频带比较窄。
（2）二者的主平面互换了位置，包含缝隙轴线的平面 是H面，而垂直于缝隙轴线的平面是E面。因此，垂直缝隙 （缝隙轴线在垂直方向）是水平极化的，水平缝隙是垂直极 化的。
项目七 用HFSS仿真波导缝隙天线
项目七 用HFSS仿真波导缝隙天线
项目七 用HFSS仿真波导缝隙天线
7.1.2 波导缝隙天线 在波导壁的适当位置和方向上开的缝隙也可以有效地辐
根据对偶原理，理想缝隙天线的方向性函数与同长度的对称 振子的方向性函数在E面和H面是相互交换的，如图7－2所 示。
图7－2
项目七 用HFSS仿真波导缝隙天线
由于利用了对偶关系，此式假设了缝上电压（或切向电
场）沿缝隙轴线也是按正弦分布的。对比理想缝隙与对称振
子的场可以看出：
（1）二者的方向相同，方向性函数都是
的电场变为磁场，原来的磁场变为电场，当然还有些符号的
变动。具体可参阅参考书目。
根据前面的介绍，长度为2l的对称振子的辐射场为
E
j60Im
cos(l cos ) cos(l) e jr r sin
其方向性函数为
(7－3)
F( ) cos(l cos ) cos(l) s in
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6.1 缝隙天线 缝隙天线是在金属壁上开缝所形成的天线，系统 中的电磁波经缝隙向外空间辐射或外空间的电磁 波经缝隙进入系统。
由于结构的特点，缝隙天线很适合作为共形天线 用于飞行器上。
理想缝隙天线是在无限大的理想导体平面上开的 窄缝，缝的横向尺寸 w<<l,纵向尺寸2l≈λ/2。
为了更好地理解缝隙天线，需要先介绍电磁场的 等效原理。
6.1 缝隙天线
缝隙天线的原理
6.1 缝隙天线
缝隙天线
等效磁流
对偶的导体 对称振子
6.1 缝隙天线 无限大导体平面上的半波长缝隙天线与互补的半 波长对称振子的方向图相同，但电场E和磁场H互 换。
6.1 缝隙天线
缝隙天线输入阻抗
根据电磁理论，缝隙天线的阻抗与其互补天线的阻抗之间 有如下关系： 2 s c
Zin Zin 4
其中，互补天线（偶极子天线）输入阻抗为73.1Ω，空间波阻 抗为120π，因此 2 60 s Zin 486 73.1 对于处于谐振状态的半波天线的输入阻抗为纯电阻，其互补的 具有相同长度、但宽度约为半波天线直径两倍的缝隙天线的输 入阻抗也为纯电阻。
6.1 缝隙天线
六、缝隙天线和波导缝隙天线阵
6.1 缝隙天线
缝隙天线结构
缝隙天线是在金属板或壁上开缝所形成的天线，系统中的
电磁波通过缝隙向外空间辐射，或外空间的电磁波经缝隙 进入系统。
缝隙天线结构简单、低轮廓，适合作为共形天线用于飞行
器。
理想的缝隙天线是在无限大理想导体平面上开的窄缝，缝
长远大于缝宽，缝长约为二分之波长。
6.1 波导缝隙天线阵
波导缝隙的辐射导纳
可通过理论计算或实验测量得到
6.1 波导缝隙天线阵
谐振式波导缝隙天线阵 相邻缝隙间距为二分之波导波长，所有缝隙为同相激励，
阵列具有边射辐射特性
相邻宽边纵缝位于波导中线两侧，相邻窄边横缝斜向相
反，从而保证同相激励
工作频率改变时，各缝隙的激励相位不再同相，天线匹
6.1 缝隙天线
6.1 缝隙天线
Love场等效原理
令等效问题v1中的场为零场，则S面上的等效面流为
♣情况1：设v1中媒质分布与v2中相同，则等效问题 就是自由空间中源辐射问题。 ♣情况2：设v1中填充理想导体。因为理想导体表面 的面电流不产生电磁场，所以 ，这种情况下S面上起 作用的只有面磁流。 ♣情况3：设v1中填充理想磁体。这时面磁流不产生 场，起作用的只有面电流 。
配迅速恶化，因此此类天线的带宽通常较窄（<10%）
6.1 波导缝隙天线阵
谐振式波导缝隙天线阵的辐射方向图
6.1 波导缝隙天线阵
宽边纵向缝隙阵的设计 相邻缝隙间距均为二分之波导波长，因此馈电端的输入
电导为N个缝隙电导之和
为保证输入端匹配，gin =1；如不计互耦，则 gi=Kai2
ai为缝隙i的相对激励振幅，K为常数。先求出K，之后确 定gi。利用gi与缝隙偏移量x间关系，确定缝隙位置。
实际（有限大平面上）缝隙天线辐射场
实际缝隙天线的辐射场受到有限大平板边缘的影响与理想 缝隙有所不同，有限大平板边缘对H面（经过缝隙轴的平面） 的影响不大，但对E面（与缝隙垂直的平面）场的影响较大。 精确求解缝隙天线的辐射 场要用矩量法先求得板上电 流再求远场，或用矩量法配 合几何绕射理论来求解。 当板的边缘距缝隙口面尺寸 大于一个波长时，边缘对输 入阻抗的影响不大。
向辐射缝隙天线的两倍，约为1000Ω
缝隙天线
波导馈电的缝隙天线
6.1 缝隙天线
共形缝隙天线
6.1 波导缝隙天线阵
通常在传输TE10波的矩形波导壁上开缝来构造各种缝隙
天线
缝隙必须截断波导壁上的表面电流 为获得强辐射，缝隙应位于电流密度大的位置
（a）横缝 （b）宽边纵缝 （c）斜缝 （d）窄边纵缝
非谐振式波导缝隙天线阵的辐射方向图
6.1 波导缝隙天线阵
波导缝隙天线阵的应用 雷达、卫星通信、轨道交通等
6.1 波导缝隙天线阵
非谐振式波导缝隙天线阵
相邻缝隙间距大于二分之波导波长，小于一个波导波长，
所有缝隙间具有线性相差，阵列最大辐射方向偏离法向 方向，且随频率变化
馈电波导内场近似为行波分布，可在较宽的频带上保持
良好的匹配
终端接匹配负载，通常吸收3% - 10%的输入功率
6.1 波导缝隙天线阵
6.1 缝隙天线
缝隙天线馈电（同轴线馈电）
不同的馈电位置具
有不同的输入阻抗
中心馈电的缝隙天
线的输入阻抗约为 500Ω
为实现与50 Ω同轴
线的匹配，可采用 偏馈方法
6.1 缝隙天线
单向辐射的缝隙天线
实际应用中，常采用增加背腔的方式实
现具有单向辐射的缝隙天线
背腔深度约为四分之波长 中心馈电的背腔缝隙天线输入阻抗为双