微带天线顶级教程

word 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某某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) 方向性一样，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 缝隙天线最根本的缝隙天线是开在矩形波导臂上的半波谐振缝隙，如如下图所示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f3） 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面方向图差异不大；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展分析波导开缝方式不同，缝隙的等效电路也不同。

如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，虚部为零如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、尺寸一样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如下图所示图〔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，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。

如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如下图所示微带天线的优缺点：² 体积小、本钱低、重量轻、低剖面，易于与载体共形；² 散射截面小、波瓣宽；² 易于和微带电路集成；² 易于实现线极化、圆极化、双极化和双频段工作；² 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：² 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² 近似方法如腔模理论和传输线法等，算法相对简单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： 〔*〕--缝隙外表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， 外表磁流沿两条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，外表磁流密度为：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：如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展计算，等效电路见如下图所示假设微带线的特性导纳为，如此输入导纳为：--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，见如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，并具有一样的极化平面，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如下图为双层贴片、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如下图所示精彩文档。