縫隙天線與微帶天線

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1、天線理論與技術(shù)第六講縫隙天線與微帶天線5.1縫隙天線理想縫隙天線是開在無(wú)限大、無(wú)限薄的理想導(dǎo)體平面上(yOz)的直線縫隙，可以由同軸傳輸線激勵(lì)?？p隙的寬度w遠(yuǎn)小于波長(zhǎng)，而其長(zhǎng)度2l通常為λ/2。5.1.1理想縫隙天線坐標(biāo)圖無(wú)論縫隙被何種方式激勵(lì)，縫隙中只存在切向的電場(chǎng)強(qiáng)度，電場(chǎng)強(qiáng)度一定垂直于縫隙的長(zhǎng)邊，并對(duì)縫隙的中點(diǎn)呈上下對(duì)稱的駐波分布，即在x>0的半空間內(nèi)，縫隙相當(dāng)于一個(gè)等效磁流源，其等效磁流密度為輻射場(chǎng)縫隙最終可以被等效成一個(gè)片狀的、沿z軸放置的、與縫隙等長(zhǎng)的磁對(duì)稱振子。對(duì)于x>0的半空間內(nèi)，其等效磁流強(qiáng)度為討論遠(yuǎn)區(qū)的輻射問題時(shí)，可將縫隙視為線狀磁對(duì)稱振子，根據(jù)與全電

2、流定律對(duì)偶的全磁流定律根據(jù)電磁場(chǎng)的對(duì)偶原理，磁對(duì)稱振子的輻射場(chǎng)可以直接由電對(duì)稱振子的輻射場(chǎng)對(duì)偶得出為在x<0的半空間內(nèi)，由于等效磁流的方向相反，因此電場(chǎng)和磁場(chǎng)表達(dá)式分別為上兩式的負(fù)值。通常稱理想縫隙與和它對(duì)偶的電對(duì)稱振子為互補(bǔ)天線，因?yàn)樗鼈兿嘟Y(jié)合時(shí)形成單一的導(dǎo)體屏而沒有重疊或孔隙。它們的區(qū)別在于場(chǎng)的極化不同：H面（通過縫隙軸向并且垂直于金屬板的平面）、E面（垂直于縫隙軸向和金屬板的平面）互換。理想縫隙與和它對(duì)偶的電對(duì)稱振子具有相同的方向性，其方向函數(shù)為方向性理想半波縫隙天線(2l=λ/2)，H面方向圖如右圖所示，而其E面無(wú)方向性。縫隙的場(chǎng)矢量線分布圖(a)電力線；(b)磁

3、力線半波縫隙天線的H面方向圖例以縫隙波腹處電壓值Um=Emw為計(jì)算輻射電阻的參考電壓，則理想縫隙天線輻射電阻若理想縫隙天線與其互補(bǔ)的電對(duì)稱振子的輻射功率相等，則縫隙的輻射功率縫隙輻射電阻縫隙波腹處電流值因?yàn)殡妼?duì)稱振子的輻射功率Pr,e與其輻射電阻Rr,e的關(guān)系為推導(dǎo)出理想縫隙天線的輻射電阻與其互補(bǔ)的電對(duì)稱振子的輻射電阻之間關(guān)系式：因此，理想半波縫隙天線的輻射電阻為理想半波縫隙天線的輻射電導(dǎo)Gr,m≈0.002S和半波振子類似，理想半波縫隙天線的輸入電阻也為500Ω，該值很大，所以在用同軸線給縫隙饋電時(shí)存在困難，必須采用相應(yīng)的匹配措施。理想縫隙天線輸入電阻為了加強(qiáng)縫隙天線的

4、方向性，可以在波導(dǎo)上按一定的規(guī)律開出一系列尺寸相同的縫隙，構(gòu)成波導(dǎo)縫隙陣（SlotArrays）。由于波導(dǎo)場(chǎng)分布的特點(diǎn)，縫隙天線陣的組陣形式更加靈活和方便，但主要有以下兩類組陣形式。6.2波導(dǎo)縫隙天線陣波導(dǎo)上所有縫隙都得到同相激勵(lì)。最大輻射方向與天線軸垂直，為邊射陣。波導(dǎo)終端通常采用短路活塞。諧振式縫隙陣（ResonantSlotArrays）下面介紹常見的諧振式縫隙陣為保證各縫隙同相，相鄰縫隙的間距應(yīng)取為λg。由于波導(dǎo)波長(zhǎng)λg大于自由空間波長(zhǎng)，這種縫隙陣會(huì)出現(xiàn)柵瓣，同時(shí)在有限長(zhǎng)度的波導(dǎo)壁上開出的縫隙數(shù)目受到限制，增益較低，因此實(shí)際中較少采用。開在寬壁上的橫向諧振縫隙陣圖

5、中對(duì)應(yīng)的螺釘需要交替地分布在中心線兩側(cè)?？v向諧振縫隙陣二縱向諧振縫隙陣三對(duì)于開在窄壁上的斜縫，相鄰斜縫之間的距離為λg/2，斜縫通過切入寬壁的深度來(lái)增加縫隙的總長(zhǎng)度，并且依靠?jī)A斜角的正負(fù)來(lái)獲得附加的π相差，以補(bǔ)償橫向電流λg/2所對(duì)應(yīng)的π相差而得到各縫隙的同相激勵(lì)。在諧振式縫隙陣的結(jié)構(gòu)中，如果將波導(dǎo)末端改為吸收負(fù)載，讓波導(dǎo)載行波，并且間距不等于λg/2，就可以構(gòu)成非諧振式縫隙陣。顯然，非諧振縫隙天線各單元不再同相。非諧振式縫隙陣（NonresonantSlotArrays）根據(jù)均勻直線陣的分析，非諧振縫隙天線陣的最大輻射方向偏離陣法線的角度為非諧振縫隙天線適用于頻率掃描天

6、線，因?yàn)棣僚c頻率有關(guān)，波束指向θmax可以隨之變化。非諧振式天線的優(yōu)點(diǎn)是頻帶較寬，缺點(diǎn)是效率較低。如果諧振式縫隙天線陣中的縫隙都是匹配縫隙，即不在波導(dǎo)中產(chǎn)生反射，波導(dǎo)終端接匹配負(fù)載，就構(gòu)成了匹配偏斜縫隙天線陣。匹配偏斜縫隙陣圖示的波導(dǎo)寬壁上的匹配偏斜縫隙天線陣，適當(dāng)?shù)卣{(diào)整縫隙對(duì)中線的偏移x1和斜角δ，可使得縫隙所等效的歸一化輸入電導(dǎo)為1，其電納部分由縫隙中心附近的電抗振子補(bǔ)償，各縫隙可以得到同相，最大輻射方向與寬壁垂直。匹配偏斜縫隙天線陣能在較寬的頻帶內(nèi)與波導(dǎo)有較好的匹配，帶寬主要受增益改變的限制，通常是5%~10%。其缺點(diǎn)是調(diào)配元件使波導(dǎo)功率容量降低。矩形波導(dǎo)縫隙天線陣

7、的方向圖可用方向圖乘積定理求出，單元天線的方向圖即為與半波縫隙互補(bǔ)的半波對(duì)稱振子的方向圖，陣因子決定于縫隙的間距以及各縫隙的相對(duì)激勵(lì)強(qiáng)度和相位差。帶寬方向圖式中N為陣元縫隙個(gè)數(shù)。工程上波導(dǎo)縫隙天線陣的方向系數(shù)可用下式估算：方向系數(shù)波導(dǎo)縫隙陣列由于其低損耗、高輻射效率和性能穩(wěn)定等一系列突出優(yōu)點(diǎn)而得到廣泛應(yīng)用?？p隙天線不僅僅是指矩形波導(dǎo)縫隙天線，而且還有異形波導(dǎo)面上的縫隙天線，例如為了保證與承載表面共形，波導(dǎo)的一個(gè)表面或兩個(gè)表面常常是曲面形狀。波導(dǎo)縫隙陣列應(yīng)用(a)圓突—矩形波導(dǎo)縫隙天線；(b)扇面波導(dǎo)縫隙天線其主要的研究熱點(diǎn)為精