天线第十一讲-缝隙天线与微带天线201505112

2015/6/2ResearchInstituteofAntennas&RFTechniquesSchoolofElectronic&InformationEngineering天线Antennas第11讲缝隙天线与微带天线谢泽明华南理工大学电子与信息学院[e-mail]TechnologyResearchInstituteofAntennas&RFTechniquesSchoolofElectronic&InformationEngineering第11讲内容缝隙天线微带天线SouthChinaUniversityofTechnologyResearchInstituteofAntennas&RFTechniquesSchoolofElectronic&InformationEngineering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。11.1缝隙天线SouthChinaUniversityofTechnologyResearchInstituteofAntennas&RFTechniquesSchoolofElectronic&InformationEngineering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。SouthChinaUniversityofTechnologyResearchInstituteofAntennas&RFTechniquesSchoolofElectronic&InformationEngineering理想半波缝隙天线结构：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≈l/2；在缝隙中心用信号源激励SouthChinaUniversityofTechnologyResearchInstituteofAntennas&RFTechniquesSchoolofElectronic&InformationEngineering缝隙天线C1C2IeVe理想缝隙天线的辐射特性：半空间的方向图与缝隙大小的对称振子相同，但电场是f分量，磁场是q分量输入阻抗：对于半波缝隙C1C2IdVd窄导体板对称振子()jreVEeFrqcos(cos)cos()sinhhFqqqEE260/edZZ386rRZd：对称振子的输入阻抗SouthChinaUniversityofTechnologyResearchInstituteofAntennas&RFTechniquesSchoolofElectronic&InformationEngineering[用电磁场巴比涅原理分析理想缝隙天线]光学上的互补原理两个互补屏的光相加等于没有屏时的光SouthChinaUniversityofTechnologyResearchInstituteofAntennas&RFTechniquesSchoolofElectronic&InformationEngineering推广到电磁场巴比涅原理电屏与互补磁屏的巴比涅原理：互补电屏和磁屏的场相加等于没有屏的场(a)z=0面放置开孔无限大导电平面(b)互补磁屏孔孔zzemtiiemiiiEEEHHH,rriiEH,rriiEH,rriiEH没有屏的时候的照射场SouthChinaUniversityofTechnologyResearchInstituteofAntennas&RFTechniquesSchoolofElectronic&InformationEngineering【电屏与互补磁屏的互补原理】如图源分布在z0的有限区域中，z=0面上分三种情况:（1）无任何屏，场为（2）放置一开孔的无限大理想导体平面，孔面积为A，导体面积为S，场为（3）放置情况（2）的互补磁屏，即，去掉无限大理想导体平面，孔用理想磁体平面替代，场为则根据电磁场巴比涅原理，有,rreettEH,rrmmttEH,rriiEH,rrJMemtiiemiiiEEEHHH孔孔SouthChinaUniversityofTechnologyResearchInstituteofAntennas&RFTechniquesSchoolofElectronic&InformationEngineering利用对偶原理，电壁的场和磁壁的场满足对偶原理可得电屏与互补电屏的巴比涅原理：孔孔zz,rriiEH导体电壁zJrrMrdtErdtH（c）MrJr1edttiedttiEHEHEHrrrrrr/JMMJ/JMMJ1mdttmdttEHHE(a)z=0面放置开孔无限大导电平面(b)互补磁屏(c)互补电屏SouthChinaUniversityofTechnologyResearchInstituteofAntennas&RFTechniquesSchoolofElectronic&InformationEngineering电流、电荷产生的场与磁流、磁荷产生的场的方程形式相同，只要进行变量代换：两者可以互相得到，称之为电磁场的对偶原理。,,,,1/ememHEJJ电荷、电流产生的场磁荷、磁流产生的场0eeEHJtHEtHE0mmEHtHEJtHE对偶原理SouthChinaUniversityofTechnologyResearchInstituteofAntennas&RFTechniquesSchoolofElectronic&InformationEngineering【电屏与互补电屏的互补原理】如图源分布在z0的有限区域中，z=0面上分三种情况:（1）无任何屏，场为（2）放置一开孔的无限大理想导体平面，孔面积为A，导体面积为S，场为（3）放置情况（2）的互补电屏，即，去掉无限大理想导体平面，孔用理想导体平面替代，同时电流源改为磁流源，磁流源改为电流源，场为则根据电磁场巴比涅原理，有,rreettEH,ddttEH,rriiEH,rrJM孔孔导体电壁zJrrMrdtErdtH（c）MrJr1edttiedttiEHEHEH/JMMJSouthChinaUniversityofTechnologyResearchInstituteofAntennas&RFTechniquesSchoolofElectronic&InformationEngineering窄导体板对称振子缝隙天线应用互补原理于缝隙天线缝隙和窄导体板构成互补的电屏两种天线的激励源位置相同，均在天线的中间部位。但两种源的电场方向相互垂直由于没有z0区域的源，故。由互补电屏的巴比捏原理，可得：0,0rriiEH1=0=0rrrrrredttiedttiEHEHEH/edttedttEHHErrrretetEHdtdtEH缝隙天线的辐射场SouthChinaUniversityofTechnologyResearchInstituteofAntennas&RFTechniquesSchoolofElectronic&InformationEngineering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。SouthChinaUniversityofTechnologyResearchInstituteofAntennas&RFTechniquesSchoolofElectronic&InformationEngineering同轴线馈电的缝隙天线不同的馈电位置具有不同的阻抗。为了实现与50同轴线的匹配，馈电位置：s≈l/20。缝隙天线的馈电SouthChinaUniversityofTechnologyResearchInstituteofAntennas&RFTechniquesSchoolofElectronic&InformationEngineering如果导体平板尺寸很大，且附有如下图(a)所示的金属盒子，则只朝一侧辐射，这种结构称为背射天线。如果盒子深度适当(d～l/4),则l/2谐振缝隙的馈端阻抗是两倍于无盒情况的纯阻抗，约为1000。SouthChinaUniversityofTechnologyResearchInstituteofAntennas&RFTechniquesSchoolofElectronic&InformationEngineering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，称为波导缝隙天线。缝隙必须截断波导壁面上的表面电流。为了获得强的辐射，缝隙应该开在电流密度大的地方。SouthChinaUniversityofTechnologyResearchInstituteofAntennas&RFTechniquesSchoolofElectronic&InformationEngineering谐振式波导缝隙天线阵SouthChinaUniversityofTechnologyResearchInstituteofAntennas&RFTechniquesSchoolofElectronic&InformationEngineering行波波导缝隙天线阵SouthChinaUniversityofTechnologyResearchInstituteofAntennas&RFTechniquesSchoolofElectronic&InformationEngineering柱面缝隙天线SouthChinaUniversityofTechnologyResearchInstituteofAntennas&RFTechniquesSchoolofElectronic&InformationEngineering矩形微带天线的基本结构：微带线辐射器微带馈电线接地板介质基片11.2微带天线SouthChinaUniversityofTechnologyResearchInstituteofAntennas&RFTechniquesSchoolofElectronic&InformationEngineering微带辐射器的概念首先是Deschamps在1953年提出来的。但是，直到二十年后因为加工工艺的进步，实际的天线才制造出来。最早的微带天线是Howell和Munson在二十世纪70年代初期研制成的。近20年来由于微波集成技术的发展和空间技术对低剖面天线的迫切需求，促进了微带天线快速发展。微带天线的理论和技术日臻成熟，应用非常广泛。SouthChinaUniversityofTechnologyResearchInstituteofAntennas&RFTechniquesSchoolofElectronic&InformationEngineering与普通天线相比，微带的优点：剖面薄，体积小，重量轻，易共形。适合于用印刷电路技术大量生产，成本低。易于与有源器件集成，构成有源集成天线。易于实现圆极化、多频段、双极化等。与普通天线相比，微带天线的缺点：频带窄（相对带宽一般为1-5%）。辐射区只限于半个平面。有导体和介质损耗，并且激励表面波，导致辐射效率低。功率容量较小。SouthChinaUniversityofTechnologyResearchInstituteofAntennas&RFTechniquesSchoolofElectronic&InformationEngineering微带天线的辐射原理微带天线通过贴片的四周缝隙的泄漏辐射电磁波SouthChinaUniver