缝隙天线.ppt

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1、第五章 缝隙天线与微带天线 缝隙天线：在波导或空腔谐振器上开出一个或数个缝隙以辐缝隙天线：在波导或空腔谐振器上开出一个或数个缝隙以辐射或接收电磁波的天线。是无突出部的射或接收电磁波的天线。是无突出部的平面天线平面天线。微带天线：由微带传输线发展起来，其分析类似于缝隙天线。微带天线：由微带传输线发展起来，其分析类似于缝隙天线。是低剖面的是低剖面的平面天线平面天线。特点：由横向分布电场激励；结构牢固；馈电方便。特点：由横向分布电场激励；结构牢固；馈电方便。缺点：频带较窄。缺点：频带较窄。5.1.缝隙天线一、理想缝隙天线_半波长缝隙 理想缝隙天线，是理想缝隙天线，是实际缝隙天线的分析基础实际缝隙天线

2、的分析基础。理想缝隙天线：开在无限大、无限薄的理想导体平面理想缝隙天线：开在无限大、无限薄的理想导体平面(yoz)上上的直线缝隙。的直线缝隙。它可以由同轴传输线激励。它可以由同轴传输线激励。无论缝隙被何种方式激励，缝隙中只存在切向的电场强度，无论缝隙被何种方式激励，缝隙中只存在切向的电场强度，电场强度一定垂直于缝隙的长边，并对缝隙的中点呈上下对电场强度一定垂直于缝隙的长边，并对缝隙的中点呈上下对称的驻波分布，即：称的驻波分布，即：式中式中Em为缝隙中波腹处的场强值。为缝隙中波腹处的场强值。一般：缝隙的宽度一般：缝隙的宽度w远小于波长，而其长度远小于波长，而其长度2l为为/2。不论激励（实际缝隙

3、是由外加电压或电场激励的）方式如何不论激励（实际缝隙是由外加电压或电场激励的）方式如何,缝隙中的场总垂直于缝的长边缝隙中的场总垂直于缝的长边,如图（如图（a）所示）所示。因此理想缝隙天线可等效为由磁流源激励的对称缝隙，如图因此理想缝隙天线可等效为由磁流源激励的对称缝隙，如图（b）所示）所示。与之相对偶的是尺寸相同的板状对称振子，如图（与之相对偶的是尺寸相同的板状对称振子，如图（c）所示）所示。上述等效过程是基于对偶性原理上述等效过程是基于对偶性原理：可见，如果引入等效的磁流源，在可见，如果引入等效的磁流源，在x0的半空间内的半空间内，缝隙相当于，缝隙相当于一个等效磁流源。一个等效磁流源。缝隙磁

4、流源：一个片状的、沿缝隙磁流源：一个片状的、沿z轴放置的、与缝隙等长的轴放置的、与缝隙等长的 磁对称振子磁对称振子。其等效磁流密度为：其等效磁流密度为：对于远场，可以将缝隙视为线状磁对称振子，根据与全电对于远场，可以将缝隙视为线状磁对称振子，根据与全电流定律对偶的全磁流定律，即磁流回路定理流定律对偶的全磁流定律，即磁流回路定理：可得在可得在x0半空间，半空间，z轴上的等效磁流强度为：轴上的等效磁流强度为：由电磁场的对偶原理，磁对称振子的辐射场可由电对称振由电磁场的对偶原理，磁对称振子的辐射场可由电对称振子的辐射场直接写出子的辐射场直接写出：在在x0半空间，等效磁流方向与上刚相反，因此其辐射场只

5、半空间，等效磁流方向与上刚相反，因此其辐射场只是上两式的取负号。是上两式的取负号。可得缝隙天线的方向函数为：可得缝隙天线的方向函数为：缝隙天线的方向图为：缝隙天线的方向图为：互补天线互补天线极化分析极化分析通常称理想缝隙与和它对偶的电对称振子为互补天线。如通常称理想缝隙与和它对偶的电对称振子为互补天线。如果把两者放一块，得到一无重叠或孔隙的单一导体屏果把两者放一块，得到一无重叠或孔隙的单一导体屏。由第一章就已说明：两互补天线的主要区别在于极化不同：由第一章就已说明：两互补天线的主要区别在于极化不同：H面与面与E面互换。而具有相同的方向性。面互换。而具有相同的方向性。缝隙辐射场的极化为缝隙辐射场

6、的极化为：H面：通过缝隙轴向并且垂直于金属板的平面面：通过缝隙轴向并且垂直于金属板的平面。E面：垂直于缝隙轴向和金属板的平面面：垂直于缝隙轴向和金属板的平面。辐射辐射电阻电阻：-利用互补的电对称振子进行求解利用互补的电对称振子进行求解以缝隙波腹处电压值以缝隙波腹处电压值Um=Emw为计算辐射电阻的参考电压，为计算辐射电阻的参考电压，则缝隙辐射功率与辐射电阻关系为则缝隙辐射功率与辐射电阻关系为：如要使理想缝隙天线与其互补的电对称振子的辐射功率相如要使理想缝隙天线与其互补的电对称振子的辐射功率相等，由两者的电场表达式可知，等，由两者的电场表达式可知，Um和电对称振子的波腹电和电对称振子的波腹电流应

7、满足流应满足：由电对称振子辐射功率与辐射电阻的关系由电对称振子辐射功率与辐射电阻的关系：使两辐射功率相等，可得两互补天线的辐射电阻有如下关使两辐射功率相等，可得两互补天线的辐射电阻有如下关系系：因此，理想半波缝隙天线的辐射电阻为因此，理想半波缝隙天线的辐射电阻为：与之对应的辐射电导与之对应的辐射电导：辐射辐射阻抗阻抗和输入阻抗：和输入阻抗：可由上两互补天线的辐射可由上两互补天线的辐射电阻电阻公式，公式，直接推广到辐射阻抗直接推广到辐射阻抗和输入阻抗（不是纯电阻和输入阻抗（不是纯电阻）。任意长度的理想缝隙天线的输入阻抗、辐射阻抗均可由与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

8、对称振子的相应值求得其互补的电对称振子的相应值求得。由于谐振电对称振子的输入阻抗为纯电阻，因此谐振缝隙由于谐振电对称振子的输入阻抗为纯电阻，因此谐振缝隙的输入阻抗也为纯电阻的输入阻抗也为纯电阻。和半波振子类似，输入电阻近似等于辐射电阻。理想半波和半波振子类似，输入电阻近似等于辐射电阻。理想半波缝隙天线的输入电阻也为缝隙天线的输入电阻也为500，该值很大，所以在用同轴，该值很大，所以在用同轴线给缝隙馈电时存在困难，必须采用相应的匹配措施。线给缝隙馈电时存在困难，必须采用相应的匹配措施。二.实际缝隙天线（有限尺寸金属平面缝隙辐射）最基本的缝隙天线：开在矩形波导壁上的半波谐振缝隙。最基本的缝隙天线：

9、开在矩形波导壁上的半波谐振缝隙。TE01波内壁电流波内壁电流在矩形波导宽壁上：有纵向在矩形波导宽壁上：有纵向和横向两个电流分量和横向两个电流分量。横向分量的大小沿宽边呈余横向分量的大小沿宽边呈余弦分布，中心处为零弦分布，中心处为零；纵向分量沿宽边呈正弦分布，纵向分量沿宽边呈正弦分布，中心处最大中心处最大。波导窄边上只有横向电流，波导窄边上只有横向电流，且沿窄边均匀分布且沿窄边均匀分布。辐射缝隙与非辐射缝隙辐射缝隙与非辐射缝隙辐射缝隙：如果波导壁上所开的缝隙能切割电流线，则中辐射缝隙：如果波导壁上所开的缝隙能切割电流线，则中断的电流线将以位移电流的形式延续，缝隙得到激励，波断的电流线将以位移电流

10、的形式延续，缝隙得到激励，波导内传输功率通过缝隙向外辐射导内传输功率通过缝隙向外辐射。非辐射缝隙：当缝隙与电流线平行时，不能在缝隙区内建非辐射缝隙：当缝隙与电流线平行时，不能在缝隙区内建立激励电场，不能产生激励而得到辐射立激励电场，不能产生激励而得到辐射。部分激励辐射部分激励辐射如图，缝隙如图，缝隙g与纵向电流平行，与纵向电流平行，本不会产生辐射本不会产生辐射。如在其旁边置一电抗振子（如插如在其旁边置一电抗振子（如插入波导内部的螺钉），它平行于入波导内部的螺钉），它平行于波导内部电场，被感应出的传导波导内部电场，被感应出的传导电流流向螺钉底部的波导内壁而电流流向螺钉底部的波导内壁而形成径电流，

11、这时缝隙形成径电流，这时缝隙g要切割要切割其中部分，得到激励其中部分，得到激励。波导（宽边）缝隙方向图波导（宽边）缝隙方向图 波导缝隙是开在有限的金属面上，波导缝隙是开在有限的金属面上，与理想缝隙的边界条件不同与理想缝隙的边界条件不同。实验和计算表明实验和计算表明:E面面(垂直于缝隙轴向和波导壁面的平面垂直于缝隙轴向和波导壁面的平面)方向图与理想缝隙方向图与理想缝隙相比有畸变：相比有畸变：对于宽边的纵缝，由于沿对于宽边的纵缝，由于沿E面的电尺寸对标准波导来说面的电尺寸对标准波导来说只有只有0.72（TE10而言），故而言），故E面方向图相差较大。面方向图相差较大。对于宽边的横缝，随波导纵向尺寸

12、变长，其对于宽边的横缝，随波导纵向尺寸变长，其E面方向图面方向图逐渐趋向于理想的半圆形。逐渐趋向于理想的半圆形。H面（通过缝隙轴向并垂直波导壁的平面）面（通过缝隙轴向并垂直波导壁的平面）沿金属面方向的沿金属面方向的辐射为零辐射为零，故波导有限尺寸带来的影响较小，其方向图与，故波导有限尺寸带来的影响较小，其方向图与理想缝隙差别不大。理想缝隙差别不大。波导缝隙辐射功率与辐射电阻波导缝隙辐射功率与辐射电阻波导缝隙的辐射空间只是理想缝隙的半空间，故波导缝隙波导缝隙的辐射空间只是理想缝隙的半空间，故波导缝隙的辐射功率相当于理想缝隙的一半，故波导缝隙的辐射电的辐射功率相当于理想缝隙的一半，故波导缝隙的辐射电导也就为理想缝隙的一半（辐射电阻导也就为理想缝隙的一半（辐射电阻为两倍为两倍）。）。对于半波谐振波导缝隙，其辐射电导为对于半波谐振波导缝隙，其辐射电导为Gr,m0.001S。辐射缝隙对波导传输特性的影响辐射缝隙对波导传输特性的影响不仅将传输能量辐射出去，还引起波导内等效负载的变化。不仅将传输能量辐射出去，还引起波导内等效负载的变化。从而改变波导的原来传输特性，如功率容限、阻抗匹配等从而改变波导的原来传输特性，如功率容限、阻抗匹配等。