1、第第5 5章章 縫隙天線與微帶天線縫隙天線與微帶天線 5.1 5.1 縫隙天線縫隙天線 5.2 5.2 微帶天線微帶天線 ：在波導或空腔諧振器上開出一個或數個縫隙以輻：在波導或空腔諧振器上開出一個或數個縫隙以輻射電磁波的天線，射電磁波的天線，。：是由微帶傳輸線發展起來的天線，：是由微帶傳輸線發展起來的天線，。二者的應用：適用于高速飛行體上，容易組成陣列天線。二者的應用：適用于高速飛行體上，容易組成陣列天線。第第5 5章章 縫隙天線與微帶天線縫隙天線與微帶天線 開在無限大、無限薄的理想開在無限大、無限薄的理想導體平面上導體平面上( (yOz) )的直線的直線縫隙，縫隙， 它可以由同軸傳它可以由同

2、軸傳輸線激勵。輸線激勵。 縫隙的寬縫隙的寬度度w w遠小于波長，遠小于波長， 其長度其長度2 2l通常為通常為/2/2。yz2l分析基礎：理想縫隙天線。分析基礎：理想縫隙天線。第第5 5章章 縫隙天線與微帶天線縫隙天線與微帶天線 ：縫隙中只存在切向的電場強度，電場強度垂直于縫隙縫隙中只存在切向的電場強度，電場強度垂直于縫隙的長邊，的長邊， 并對縫隙的中點呈上下對稱的駐波分布，并對縫隙的中點呈上下對稱的駐波分布， 即：即：( )sin (myE zEk lz e 引入等效的磁流源，在引入等效的磁流源，在x00的半空間內，的半空間內，縫隙相當于一個等效磁流源，縫隙相當于一個等效磁流源，其等效磁流密

3、度為：其等效磁流密度為：0sin ()mxmzJn EEk lz e yz2l第第5 5章章 縫隙天線與微帶天線縫隙天線與微帶天線 根據電磁場的對偶原理，磁對稱振子根據電磁場的對偶原理，磁對稱振子的輻射場可以直接由電對稱振子的的輻射場可以直接由電對稱振子的輻射場對偶得出為：輻射場對偶得出為：cos(cos )cos()sincos(cos )cos()sinmjkrmmjkrmEklklEjeerEklklHjeer cos(cos )cos( )sinklklf00,ememememEHHEIIQQ 磁對稱振子和電對稱磁對稱振子和電對稱振子輻射場的極化方振子輻射場的極化方向相互正交，其它特向

4、相互正交，其它特性完全相同。性完全相同。H H面面第第5 5章章 縫隙天線與微帶天線縫隙天線與微帶天線 (a) (a)電力線；電力線； (b)(b)磁力線磁力線半 波 縫 隙 天 線 的 H面 方 向 圖zyx 0 x 0第第5 5章章 縫隙天線與微帶天線縫隙天線與微帶天線 最基本的縫隙天線是由開在矩形波導壁上的半波諧振縫隙構成的。最基本的縫隙天線是由開在矩形波導壁上的半波諧振縫隙構成的。對對TETE1010波波，在波導寬壁上有縱向和橫向兩個電流分量，橫向分量的，在波導寬壁上有縱向和橫向兩個電流分量，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大小沿寬邊呈余弦分布，中心處為

5、零，縱向電流沿寬邊呈正弦分布，中心處最大。分布，中心處最大。TE10波內壁電流分布與縫波內壁電流分布與縫隙配置示意圖隙配置示意圖ahgbfedc根據縫隙是否切割電流線分為：根據縫隙是否切割電流線分為：輻射縫隙：輻射縫隙：非輻射縫隙：非輻射縫隙：a、b、c、d、ef、g第第5 5章章 縫隙天線與微帶天線縫隙天線與微帶天線 （Slot Arrays） 為了加強縫隙天線的方向性，可以在波導上按一定的規律為了加強縫隙天線的方向性，可以在波導上按一定的規律開出一系列尺寸相同的縫隙，構成開出一系列尺寸相同的縫隙，構成 ：波導上所有縫隙都得到同相激勵，最大輻射方向與天線軸波導上所有縫隙都得到同相激勵，最大輻

6、射方向與天線軸垂直，為邊射陣，波導終端采用短路活塞。垂直，為邊射陣，波導終端采用短路活塞。：波導波長：波導波長g大于自由空間波長，縫隙陣會出現柵瓣，同時大于自由空間波長，縫隙陣會出現柵瓣，同時在有限長度的波導壁上開出的縫隙數目受到限制，增益較低。在有限長度的波導壁上開出的縫隙數目受到限制，增益較低。gg / 2gg / 2g / 2( a )( b )激 勵活 塞短路活塞短路活塞第第5 5章章 縫隙天線與微帶天線縫隙天線與微帶天線 分布參數傳輸線分布參數傳輸線具有具有 /2的重復性，的重復性， /4的變換性的變換性dtgjZdZscin0)(dtgjZZdtgjZZZdZLLin000)(短路

7、短路Short circuit第第5 5章章 縫隙天線與微帶天線縫隙天線與微帶天線 圖圖( (a) )縫隙陣的改進（縫隙陣的改進（1 1）：）：利用了在寬壁中心線兩側對稱位置處橫向電流反相、沿波導每利用了在寬壁中心線兩側對稱位置處橫向電流反相、沿波導每隔隔g g/2 /2 場強反相的特點，縱縫每隔場強反相的特點，縱縫每隔g g/2/2交替地分布在中交替地分布在中心線兩側即可得到同相激勵。心線兩側即可得到同相激勵。gg / 2gg / 2g / 2( a )( b )激 勵活 塞第第5 5章章 縫隙天線與微帶天線縫隙天線與微帶天線 圖圖( (a) )縫隙陣的改進（縫隙陣的改進（2 2）：）：圖圖

8、(c)(c)對應的螺釘交替地分布對應的螺釘交替地分布在中心線兩側。在中心線兩側。g / 2g / 2(c )(d )圖圖( (a) )縫隙陣的改進（縫隙陣的改進（3 3）：）：依靠傾斜角的正負來獲得附依靠傾斜角的正負來獲得附加的加的相差，以補償橫向電相差，以補償橫向電流流g g/2/2所對應的所對應的相差而相差而得到各縫隙的同相激勵。得到各縫隙的同相激勵。g / 2g / 2(c)(d )第第5 5章章 縫隙天線與微帶天線縫隙天線與微帶天線 將波導末端改為將波導末端改為，波導載行波，并且間距不等于，波導載行波，并且間距不等于g g/2/2，構成非諧振式縫隙陣。構成非諧振式縫隙陣。由傳輸線理論可

9、知，圖由傳輸線理論可知，圖a a相鄰縫隙的相位依次落后相鄰縫隙的相位依次落后對于圖對于圖 (b)(b)的縫隙天線陣，相鄰縫隙除行波的波程差的縫隙天線陣，相鄰縫隙除行波的波程差 之外，還有附加的之外，還有附加的180180相移，所以相鄰縫隙之間的相位差將沿相移，所以相鄰縫隙之間的相位差將沿行波方向依次落后行波方向依次落后 。2gd2gd2gd第第5 5章章 縫隙天線與微帶天線縫隙天線與微帶天線 、最大輻射方向偏離陣法線的角度為：、最大輻射方向偏離陣法線的角度為：maxarcsin2 d、非諧振縫隙天線適用于頻率掃描天線，因為、非諧振縫隙天線適用于頻率掃描天線，因為與頻率有關，與頻率有關，波束指向

10、波束指向mamax x可以隨之變化。可以隨之變化。、頻帶較寬，但效率較低。、頻帶較寬，但效率較低。 第第5 5章章 縫隙天線與微帶天線縫隙天線與微帶天線 諧振式縫隙天線陣中的縫隙都是匹配縫隙，不在波導中產生反射，諧振式縫隙天線陣中的縫隙都是匹配縫隙，不在波導中產生反射，波導終端接匹配負載，就構成了波導終端接匹配負載，就構成了。適當地調整縫隙對中線的偏移適當地調整縫隙對中線的偏移x x1 1和斜角和斜角，各縫隙可以得到同相，各縫隙可以得到同相，最大輻射方向與寬壁垂直。最大輻射方向與寬壁垂直。匹配偏斜縫隙天線匹配偏斜縫隙天線 g/2x1/2第第5 5章章 縫隙天線與微帶天線縫隙天線與微帶天線 1

11、1、最大輻射方向與寬壁垂直。、最大輻射方向與寬壁垂直。2 2、能在較寬的頻帶內與波導有較好的匹配，帶寬主要受增、能在較寬的頻帶內與波導有較好的匹配，帶寬主要受增益改變的限制，通常是益改變的限制，通常是5%5%10%10%。3 3、缺點是調配元件使波導功率容量降低。、缺點是調配元件使波導功率容量降低。 第第5 5章章 縫隙天線與微帶天線縫隙天線與微帶天線 為了保證與承載表面共形，波導的一個表面或兩個表面常常為了保證與承載表面共形，波導的一個表面或兩個表面常常是曲面形狀。是曲面形狀。曲面波導縫隙天線曲面波導縫隙天線( (a) )圓突圓突矩形波導縫隙天線；矩形波導縫隙天線；(b)(b)扇面波導縫隙天

12、線扇面波導縫隙天線(a)(b)3.2DN工程上波導縫隙天線陣的方向系數的估算公式工程上波導縫隙天線陣的方向系數的估算公式: :第第5 5章章 縫隙天線與微帶天線縫隙天線與微帶天線 第二節第二節 微帶天線微帶天線(Microstrip Antennas)(Microstrip Antennas)：由導體薄片粘貼在背面有導體接地板的介質基片上形成的天線。由導體薄片粘貼在背面有導體接地板的介質基片上形成的天線。1 1、體積小，重量輕，低剖面，能與載體共形；、體積小，重量輕，低剖面，能與載體共形；2 2、制造成本低，易于批量生產；天線的散射截面較小；、制造成本低，易于批量生產；天線的散射截面較小；3

13、3、能得到單方向的寬瓣方向圖，最大輻射方向在平面的法線方向；、能得到單方向的寬瓣方向圖，最大輻射方向在平面的法線方向；4 4、易于和微帶線路集成；、易于和微帶線路集成；5 5、易于實現線極化和圓極化，容易實現、易于實現線極化和圓極化，容易實現、等多功能等多功能工作。工作。6 6、相同結構的微帶天線組成微帶天線陣可以獲得更高的增益和更、相同結構的微帶天線組成微帶天線陣可以獲得更高的增益和更大的帶寬。大的帶寬。第第5 5章章 縫隙天線與微帶天線縫隙天線與微帶天線 導帶導帶接地板接地板介質介質微帶線示意圖：微帶線示意圖：主模：準主模：準TEMTEM可以傳輸的模式：可以傳輸的模式：TEMTEM、TET

14、E、TMTM第第5 5章章 縫隙天線與微帶天線縫隙天線與微帶天線 一、一、 矩形微帶天線矩形微帶天線 矩形微帶天線是由矩形導體薄片粘貼在背面有導體接地板矩形微帶天線是由矩形導體薄片粘貼在背面有導體接地板的介質基片上形成的天線。利用的介質基片上形成的天線。利用微帶傳輸線微帶傳輸線或或同軸探針同軸探針來饋電，通過貼片四周與接地板之間的縫隙向外輻射。來饋電，通過貼片四周與接地板之間的縫隙向外輻射。zxyOLWrEmsJ寬為寬為W W、長、長為為L L的一段的一段微帶傳輸線微帶傳輸線輻射電磁波輻射電磁波第第5 5章章 縫隙天線與微帶天線縫隙天線與微帶天線 終端終端(y=L邊邊)處開路，形成處開路，形成

15、電壓波腹電壓波腹和電流的波節點。和電流的波節點。Lg/2，y=0 邊也呈現邊也呈現電壓波腹電壓波腹和電流的波節點。和電流的波節點。zxyOLWrEmsJ電場可近似表達為：電場可近似表達為：0cos()xyEEL貼片四周窄縫上等效的面磁流密度為：貼片四周窄縫上等效的面磁流密度為：msnJeE W邊為輻射邊，邊為輻射邊，L邊為非輻射邊。邊為非輻射邊。貼片與接地貼片與接地板間的電場板間的電場分布示意圖分布示意圖第第5 5章章 縫隙天線與微帶天線縫隙天線與微帶天線 (a)H(a)H面（面（xozxoz面）面） (b)E(b)E面（面（xoyxoy面）面） 18090030601501209090603

16、0030605dB5dB實測量計算值(a)(b)(W1 cm ， L3.05 cm， f3.1 GHz)zxyOLWrEmsJ與與Z Z軸的軸的夾角夾角與與X X軸的軸的夾角夾角H面（面（=0，xOz面）：面）： 1sin(cos )2( )sin1cos2HkWFkWE面（面（=90，xOy面）：面）： 1( )cos(sin)2EFkL微帶天線方向圖和方向函數微帶天線方向圖和方向函數第第5 5章章 縫隙天線與微帶天線縫隙天線與微帶天線 二、二、 雙頻微帶天線雙頻微帶天線導航系統導航系統工作頻率工作頻率GPSGPSL1L1波段：波段：1575.42MHz1575.42MHzL2L2波段：波段

17、：1227.60MHz 1227.60MHz GLONASSGLONASSL1L1波段：波段：1602+0.5625k(MHz)1602+0.5625k(MHz)L2L2波段：波段：1246+0.4375k(MHz)1246+0.4375k(MHz)GalileoGalileoL1L1：1561.0981561.0981589.742MHz1589.742MHz，L2L2：1202.0251202.0251278.750MHz1278.750MHz北斗北斗L L頻段：頻段：161016101626.5 MHz1626.5 MHzS S頻段：頻段：2483.52483.52500 MHz2500

18、 MHz許多系統要求工作在雙頻段，例如衛星導航系統：許多系統要求工作在雙頻段，例如衛星導航系統：第第5 5章章 縫隙天線與微帶天線縫隙天線與微帶天線 1 1）、在矩形貼片非輻射邊開兩）、在矩形貼片非輻射邊開兩條長度相等的條長度相等的，在離貼片，在離貼片中心一適當距離處饋電。中心一適當距離處饋電。 TMTM1010和介于和介于TMTM1010與與TMTM2020之間的之間的模式。模式。同軸線饋縫隙負載貼片天線結構同軸線饋縫隙負載貼片天線結構 LsLWsW1dyzWWphl實現雙頻的方法實現雙頻的方法第第5 5章章 縫隙天線與微帶天線縫隙天線與微帶天線 W=15.5mm，L=11.5mm，l=0.

19、5mm，W1=d=1mm，Wp=5.5mm，r=2.2、h=0.8mm時，時，利用利用F FDTDDTD（時域有限差分法）計算該天線（時域有限差分法）計算該天線的的s s1111參數隨饋電位置的頻率變化曲線。參數隨饋電位置的頻率變化曲線。天線的天線的| |s s1111| |參數曲線參數曲線 Wp 5.5 mmWp 4.5 mmWp 6.5 mm測 量 值 Wp 5.5 mm0 10 20 304.08.012.0f /GHzS11 / d BLsLWsW1dyzWWphl饋電點位置對饋電點位置對天線特性影響天線特性影響明顯明顯第第5 5章章 縫隙天線與微帶天線縫隙天線與微帶天線 2 2）、在

20、矩形貼片上）、在矩形貼片上，饋電點一般在矩形中心點。，饋電點一般在矩形中心點。第第5 5章章 縫隙天線與微帶天線縫隙天線與微帶天線 。該天線包括三層介質結構：兩個諧振于所需工作頻率的貼片該天線包括三層介質結構：兩個諧振于所需工作頻率的貼片和一微帶線饋電結構。和一微帶線饋電結構。1 1）、矩形分層結構）、矩形分層結構分層雙頻圓極化微帶天線結構示意圖分層雙頻圓極化微帶天線結構示意圖 (a)(a)俯視圖；俯視圖；(b)(b)側視圖側視圖WbWtLtLbW0S1S2S3S4r3 , h3r2 , h2r1 , h1(a)(b)f1f2饋電層饋電層公共地公共地第第5 5章章 縫隙天線與微帶天線縫隙天線與微帶天線 分層雙頻圓極化