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1、 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。假设位于平面上的无限大理想导体平面上开有宽度为（）、长度的缝隙。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：-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：等效磁流强度为：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：辐射场表达式：由
2、此得到半空间，磁对称阵子的辐射场为：在的半空间，电场和磁场的符号与上式相反。理想缝隙与电对称阵子：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：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：辐射电阻辐射阻抗输入阻抗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，理想半波缝隙天线的辐射电阻应为： 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，且缝隙越宽，缩短程度越大。6.1.2 缝隙
3、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） 波导壁电流分布波导内传输的主模为模，波导壁上有横向和纵向电流分量，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
4、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：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
5、示。图（a）为开在宽壁上的横向缝隙阵，相邻缝隙间距为，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、沿波导每隔场强反相的特点保证同相激励。6.1.3.2 非谐振式缝隙阵波导端接吸收负载，波导内部传输行波，缝隙间距不等于，阵源非同相激励。图（a）结构，相邻缝隙的相位依次滞后。图（b）结构，相邻缝隙波程差带来的相位差为，附加相移为，总的相差为。由均匀直线阵的分析可知，当时，方向函数取得最大值，由此可得非谐振缝隙天线阵的最大辐射方向偏离阵法线的角度为：可见最大辐射方向随的变化而改变，而与频率有关，
6、因此非谐振式缝隙阵可实现频率扫描。6.1.3.2 匹配斜缝隙阵波导壁上开有谐振斜缝，终端端接匹配负载，构成匹配斜缝隙阵。下图为开在波导宽壁上的匹配斜缝隙阵。适当调整缝隙对中心线的偏移、斜角和附近螺钉，可使缝隙归一化等效导纳，且同相激励，最大辐射方向与宽壁垂直。以上介绍的波导缝隙阵的方向图可由方向图乘积定理得到，阵元方向图为半波对称阵子的方向图，阵因子取决于相邻缝隙的间距和激励的相位差。6.2 微带天线微带天线是敷于介质基片上的导体贴片和接地板构成。如下图所示。微带天线的优缺点： 体积小、成本低、重量轻、低剖面，易于与载体共形； 散射截面小、波瓣宽； 易于和微带电路集成； 易于实现线极化、圆极化
7、、双极化和双频段工作； 带宽窄、增益低、功率容量低（100W）。贴片的形状：微带天线的分析方法： 数值方法 如全波分析方法，包括频域混合势积分方程法（MPIE）和时域有限差分法（FDTD）等。算法精度高、编程复杂。 近似方法如腔模理论和传输线法等，算法相对简单。6.2.1矩形微带天线导体贴片为矩形的微带天线，由传输线或同轴探针馈电，在贴片与接地板之间激起高频电磁场，并通过贴片四周与接地板之间的缝隙向外辐射。矩形微带贴片可看作宽为W、长为L（一般）的一段微带传输线，其终端（）处呈现开路，是电压波幅和电流波节面。贴片和接地板之间的电场分布如下图所示。1. 辐射机理选择图示坐标系，假设电场沿z方向均
8、匀分布，沿y方向的电场分布可近似表示为：贴片四周窄缝上的等效面磁流密度为： （*）-缝隙表面的外法向单位矢量。由于电场只有x方向分量，因此等效面磁流均与接地板平行，见图中箭头所示。 由（*）式可知， 表面磁流沿两条W边是同向的，其辐射场在x轴方向同相叠加，呈最大辐射，并随偏离角的增大而减小，形成边射方向图。 在每条L边上，磁流呈反对称分布，在H面（xoz面）上的辐射相互抵消；两条L边的磁流彼此呈反对称分布，在E面（xoy面）上的辐射场也相互抵消。L边在其它平面上的辐射虽然不会完全抵消，但与两条W的辐射场相比，显得非常微弱。可见矩形微带天线的辐射主要由两条W边的缝隙产生，称为辐射边。2辐射场的求
9、解矩形微带天线的辐射场由相距L的两条W边缝隙辐射场叠加而成。考虑的缝隙，表面磁流密度为：对于远区观察点，磁矢位为：式中考虑了接地板引入的镜像效应。积分后得到：由可得远区电场矢量为：对于处面磁流对辐射场的贡献，可考虑间距的等幅同相二元阵，其阵因子为：矩形微带天线远区辐射场为：3方向图由于实际微带天线的，地因子近似等于1，方向函数可表示为：E面（xoy面），方向函数为：H面（xoz面），方向函数为：下图给出了理论计算和实测的矩形微带天线的方向图。4辐射电导如果定义，辐射电导定义为，可求得每条边的辐射电导为：当时，当时，。5输入导纳矩形微带天线的输入导纳可由微带传输线法进行计算，等效电路见下图所示。
10、假设微带线的特性导纳为，则输入导纳为：-有效介电常数。当谐振边处于谐振状态时，输入导纳为：。6.2.2 双频微带天线微带天线易于实现双频段工作，矩形贴片天线是利用激励多模来获得双频的，见下图所示。图中在非辐射两边各开一个长度相等的缝隙，在贴片中心线上一适当位置处馈电。这种结构的工作模式有两种，一种是模，另一种模式介于和之间，两种模式电流分布和辐射特性均相似，并具有相同的极化平面，两种模式分别工作于不同的频率。实例：,。FDTD计算和实测的曲线如下图所示。可见双频特点和馈电位置对频率特性的影响。实现双频工作的另一方法是采用多层贴片结构。下图为双层贴片、三层介质结构，两贴片近似方形，分别谐振于两个频率，微带馈线介于两贴片之间。实例：,。FDTD计算和实测的曲线如下图所示。
