天线原理与设计—第六章缝隙天线和波导缝隙天线阵

六、缝隙天线和波导缝隙天线阵6.1缝隙天线缝隙天线结构缝隙天线是在金属板或壁上开缝所形成的天线，系统中的电磁波通过缝隙向外空间辐射，或外空间的电磁波经缝隙进入系统。缝隙天线结构简单、低轮廓，适合作为共形天线用于飞行器。理想的缝隙天线是在无限大理想导体平面上开的窄缝，缝长远大于缝宽，缝长约为二分之波长。6.1缝隙天线缝隙天线是在金属壁上开缝所形成的天线，系统中的电磁波经缝隙向外空间辐射或外空间的电磁波经缝隙进入系统。由于结构的特点，缝隙天线很适合作为共形天线用于飞行器上。理想缝隙天线是在无限大的理想导体平面上开的窄缝，缝的横向尺寸wl,纵向尺寸2l≈λ/2。为了更好地理解缝隙天线，需要先介绍电磁场的等效原理。6.1缝隙天线电磁场等效原理考虑下图a所示的原问题。如果把v1中的场变为𝐸𝑏、𝐻𝑏，而v2中的场保持不变，下图b所示，那么在S面上需要添加等效面电流𝐽𝑠和面磁流𝑀𝑠6.1缝隙天线Love场等效原理令等效问题v1中的场为零场，则S面上的等效面流为♣情况1：设v1中媒质分布与v2中相同，则等效问题就是自由空间中源辐射问题。♣情况2：设v1中填充理想导体。因为理想导体表面的面电流不产生电磁场，所以，这种情况下S面上起作用的只有面磁流。♣情况3：设v1中填充理想磁体。这时面磁流不产生场，起作用的只有面电流。6.1缝隙天线假设缝隙很窄，则只有跨接缝隙窄边的电场分量。根据Love场等效原理，缝隙可以等效为把缝隙填充导体，其上分布有磁流𝑀=-n×𝐸根据镜像法，去掉导体，缝隙等效为自由空间中的2𝑀磁流。根据电磁场对偶原理，缝隙天线与导体板振子成对偶关系。更严格的分析，需要应用巴比涅互补原理。缝隙天线的原理6.1缝隙天线缝隙天线等效磁流对偶的导体对称振子2𝑀=-2n×𝐸6.1缝隙天线无限大导体平面上的半波长缝隙天线与互补的半波长对称振子的方向图相同，但电场E和磁场H互换。6.1缝隙天线缝隙天线输入阻抗根据电磁理论，缝隙天线的阻抗与其互补天线的阻抗之间有如下关系：2c4sininZZ对于处于谐振状态的半波天线的输入阻抗为纯电阻，其互补的具有相同长度、但宽度约为半波天线直径两倍的缝隙天线的输入阻抗也为纯电阻。其中，互补天线（偶极子天线）输入阻抗为73.1Ω，空间波阻抗为120π，因此2in6048673.1sZ6.1缝隙天线实际（有限大平面上）缝隙天线辐射场实际缝隙天线的辐射场受到有限大平板边缘的影响与理想缝隙有所不同，有限大平板边缘对H面（经过缝隙轴的平面）的影响不大，但对E面（与缝隙垂直的平面）场的影响较大。精确求解缝隙天线的辐射场要用矩量法先求得板上电流再求远场，或用矩量法配合几何绕射理论来求解。当板的边缘距缝隙口面尺寸大于一个波长时，边缘对输入阻抗的影响不大。6.1缝隙天线缝隙天线馈电（同轴线馈电）不同的馈电位置具有不同的输入阻抗中心馈电的缝隙天线的输入阻抗约为500Ω为实现与50Ω同轴线的匹配，可采用偏馈方法6.1缝隙天线单向辐射的缝隙天线实际应用中，常采用增加背腔的方式实现具有单向辐射的缝隙天线背腔深度约为四分之波长中心馈电的背腔缝隙天线输入阻抗为双向辐射缝隙天线的两倍，约为1000Ω缝隙天线波导馈电的缝隙天线6.1缝隙天线共形缝隙天线6.1波导缝隙天线阵通常在传输TE10波的矩形波导壁上开缝来构造各种缝隙天线缝隙必须截断波导壁上的表面电流为获得强辐射，缝隙应位于电流密度大的位置（a）横缝（b）宽边纵缝（c）斜缝（d）窄边纵缝6.1波导缝隙天线阵可通过理论计算或实验测量得到波导缝隙的辐射导纳6.1波导缝隙天线阵谐振式波导缝隙天线阵相邻缝隙间距为二分之波导波长，所有缝隙为同相激励，阵列具有边射辐射特性相邻宽边纵缝位于波导中线两侧，相邻窄边横缝斜向相反，从而保证同相激励工作频率改变时，各缝隙的激励相位不再同相，天线匹配迅速恶化，因此此类天线的带宽通常较窄（10%）6.1波导缝隙天线阵谐振式波导缝隙天线阵的辐射方向图6.1波导缝隙天线阵宽边纵向缝隙阵的设计相邻缝隙间距均为二分之波导波长，因此馈电端的输入电导为N个缝隙电导之和为保证输入端匹配，gin=1；如不计互耦，则gi=Kai2ai为缝隙i的相对激励振幅，K为常数。先求出K，之后确定gi。利用gi与缝隙偏移量x间关系，确定缝隙位置。𝑔𝑖𝑛=𝑔𝑖𝑁𝑖=16.1波导缝隙天线阵非谐振式波导缝隙天线阵相邻缝隙间距大于二分之波导波长，小于一个波导波长，所有缝隙间具有线性相差，阵列最大辐射方向偏离法向方向，且随频率变化馈电波导内场近似为行波分布，可在较宽的频带上保持良好的匹配终端接匹配负载，通常吸收3%-10%的输入功率6.1波导缝隙天线阵非谐振式波导缝隙天线阵的辐射方向图6.1波导缝隙天线阵波导缝隙天线阵的应用雷达、卫星通信、轨道交通等