縫隙天線與微帶天線.ppt

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1、第5章縫隙天線與微帶天線制作：唐慧主講：唐慧《電波與天線》本章內(nèi)容5.1縫隙天線5.2微帶天線5.1縫隙天線理想縫隙天線是開在無限大、無限薄的理想導(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

2、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

3、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面無方向性?？p隙的場(chǎng)矢量線分布圖(a)電力線；(b)磁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

4、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任意長(zhǎng)度的理想縫隙天線的輸入阻抗、輻射阻抗均可以由與其互補(bǔ)的電對(duì)稱振子的相應(yīng)值求得。由于諧振電對(duì)稱振子的輸入阻抗為純阻，因此諧振縫隙的輸入電阻也為純阻，并且其諧振長(zhǎng)度同樣稍短于λ/2，且縫隙越寬，縮短程度越大。輻射阻抗Zr,mZr,e=

5、(60π)2輸入阻抗Zin,mZin,e=(60π)2輻射電阻理想縫隙天線和與其互補(bǔ)的電對(duì)稱振子最基本的縫隙天線是由開在矩形波導(dǎo)壁上的半波諧振縫隙構(gòu)成的。由電磁場(chǎng)理論，對(duì)TE10波而言，在波導(dǎo)寬壁上有縱向和橫向兩個(gè)電流分量，橫向分量的大小沿寬邊呈余弦分布，中心處為零，縱向電流沿寬邊呈正弦分布，中心處最大；而波導(dǎo)窄壁上只有橫向電流，且沿窄邊均勻分布。5.1.2縫隙天線縫隙配置與電流分布如果波導(dǎo)壁上所開的縫隙能切割電流線，則中斷的電流線將以位移電流的形式延續(xù)，縫隙因此得到激勵(lì)，波導(dǎo)內(nèi)的傳輸功率通過縫隙

6、向外輻射，這樣的縫隙也就被稱為輻射縫隙。當(dāng)縫隙與電流線平行時(shí)，不能在縫隙區(qū)內(nèi)建立激勵(lì)電場(chǎng)，這樣的縫隙因得不到激勵(lì)，不具有輻射能力，因而被稱為非輻射縫隙。縫隙類型縫隙g雖然與縱向電流平行，但是其旁邊設(shè)置了電抗振子h，電抗振子是插入波導(dǎo)內(nèi)部的螺釘式金屬桿，由于該螺釘平行于波導(dǎo)內(nèi)部的電場(chǎng)，因此被感應(yīng)出的傳導(dǎo)電流流向螺釘?shù)撞刻幍牟▽?dǎo)內(nèi)壁而形成徑向電流，于是縱縫g可以切斷其中的一部分而得到激勵(lì)。*受激勵(lì)的波導(dǎo)縫隙形成了開在有限金屬面上的窄縫。當(dāng)金屬面的尺寸有限時(shí)，縫隙天線的邊界條件發(fā)生了變化，對(duì)偶原理不能應(yīng)

7、用，有限尺寸導(dǎo)電面引起的電波繞射會(huì)使得天線的輻射特性發(fā)生改變。嚴(yán)格的求解縫隙的輻射場(chǎng)需要幾何繞射理論或數(shù)值求解方法。寬邊上縱縫的E面方向圖縫隙天線輻射特性對(duì)于開在矩形波導(dǎo)上的縫隙，E面（垂直于縫隙軸向和波導(dǎo)壁面的平面）方向圖與理想縫隙天線相比有一定的畸變。寬邊上的縱縫，由于沿E面的電尺寸對(duì)標(biāo)準(zhǔn)波導(dǎo)來說只有0.72λ，所以其E面方向圖的差別較大；寬邊上的橫縫，隨著波導(dǎo)的縱向尺寸變長(zhǎng)，其E面方向圖逐漸趨向于理想的半圓形。矩形波導(dǎo)縫隙天線的H面（通過縫隙軸向并且垂直于波導(dǎo)壁的平面）沿金屬面方向的輻射為零

8、，所以波導(dǎo)的有限尺寸帶來的影響相對(duì)較小，因此其H面方向圖與理想縫隙天線差別不大。波導(dǎo)縫隙天線和理想縫隙天線的輻射空間不同，波導(dǎo)縫隙天線的輻射功率相當(dāng)于理想縫隙天線的一半，因此波導(dǎo)縫隙天線的輻射電導(dǎo)也就為理想縫隙天線的一半。對(duì)于半波諧振波導(dǎo)縫隙，其輻射電導(dǎo)為Gr,m≈0.001S縫隙天線輻射功率與輻射電導(dǎo)由微波技術(shù)知識(shí)可知，波導(dǎo)可以等效為雙線傳輸線，所以波導(dǎo)上的縫隙可以等效為和傳輸線并聯(lián)或串聯(lián)的等效阻抗。寬壁橫縫截?cái)嗔丝v向電流，因而縱向電流以位移電流的形式延續(xù)，其電場(chǎng)的垂直分量在縫隙