通信工程毕业设计论文微带缝隙天线的仿真分析.doc

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1、 本科毕业论文(设计)题 目： 微带缝隙天线的仿真分析 学 院： 自动化工程学院 专 业： 通信工程 姓 名： 指导教师： 2010年 6 月 10 日摘 要微带缝隙天线具有结构简单、加工方便、体积小、宽频带等特性，在微波毫米波系统应用广泛。论文利用Ansoft HFSS 12.0对一开在5080 mm2地面上的缝隙天线进行了建模和仿真，缝隙的尺寸约为四分之一波长，开路在地面的边缘，由微带传输线馈电。文中计算了天线的回波损耗和方向图，与文献结果比较吻合，证明了仿真方法的正确性，可为 微带缝隙天线的设计工作提供一定的参考。关键词 微带缝隙天线 回波损耗 方向图 Abstract Slot ant

2、enna has a simple structure, easy to process, small size, broadband and other characteristics, widely used in microwave, millimeter wave systems. In this paper, Ansoft HFSS 12.0 is used to analyze the slot antenna on a 50 80 mm2 open ground .The size of the slot is about quarterwavelength, cut in th

3、e finite ground plane edge, fed by a microstrip transmission line. The paper calculated the return loss and antenna radation pattern. Good agreement with the literature results proved the correctness of the simulation method can provide some reference for the design of the microstrip slot antenna.Ke

4、ywords microstrip slot antenna S11 radiation pattern 目 录前 言1第1章 绪 论21.1 研究背景及意义21.2 天线特性的主要参数31.3 微带缝隙天线的应用61.4 Ansoft HFSS软件简介71.5 论文的内容及安排8第2章 缝隙天线的理论分析92.1 理想缝隙天线92.2 有限大理想导体面缝隙天线92.3 圆柱体表面上缝隙天线阵112.4 微带缝隙天线132.4.1 微带缝隙天线的结构132.4.2 微带模型132.4.3 微带天线的辐射机理142.4.4 宽带缝隙天线16第3章 微带缝隙天线的仿真203.1 创建微带缝隙天线模

5、型203.2 设置频率233.3 仿真结果24结束语28谢 辞29参考文献30 前 言微带天线是近30年来发展起来的一种新型天线，按结构可以把它分为两大类，一种是微带贴片天线，另一种是微带缝隙天线。按形状分类，可分为矩形、圆形、环形微带天线等。按工作原理分类，无论那一种天线都可分成谐振型(驻波型)和非揩振型(行波型)微带天线。前一类天线有特定的谐振尺寸，一般只能工作在谐振频率附近；而后一类天线无谐振尺寸的限制，它的末端要加匹配负载以保证传输行波。同常规的微波天线相比，微带天线具有一些优点。因而，在大约从100MHz到50GHz的宽频带上获得了大量的应用。与通常的微波天线相比，微带天线的一些主要

6、优点是：重量轻、体积小、剖面薄的平面结构，可以做成共形天线；制造成本低，易于大量生产；可以做得很薄，因此，不扰动装载的宇宙飞船的空气动力学性能；无需作大的变动，天线就能很容易地装在导弹、火箭和卫星上；天线的散射截面较小；稍稍改变馈电位置就可以获得线极化和圆极化（左旋和右旋）；比较容易制成双频率工作的天线；不需要背腔；微带天线适合于组合式设计（固体器件，如振荡器、放大器、可变衰减器、开关、调制器、混频器、移相器等可以直接加到天线基片上）；馈线和匹配网络可以和天线结构同时制作。鉴于这些优点，微带天线越发得到专家和研究者的注意，它的应用前景也越来越广阔。第1章 绪 论1.1 研究背景及意义天线是在无

7、线电设备中用来发射或接收电磁波的部件。无线电通信、广播、电视、雷达、导航、电子对抗、遥感、射电天文等工程系统，凡是利用电磁波来传递信息的，都依靠天线来进行工作。此外，在用电磁波传送能量方面，非信号的能量辐射也需要天线。一般天线都具有可逆性，即同一副天线既可用作发射天线，也可用作接收天线。同一天线作为发射或接收的基本特性参数是相同的。这就是天线的互易定理。天线按工作性质可分为发射天线和接收天线。 按用途可分为通信天线、广播天线、电视天线、雷达天线等。 按工作波长可分为超长波天线、长波天线、中波天线、短波天线、超短波天线、微波天线等。 按结构形式和工作原理可分为线天线和面天线等。描述天线的特性参量

8、有方向图、方向性系数、增益、输入阻抗、辐射效率、极化和频天线按维数来分可以分成两种类型：一维天线和二维天线。一维天线由许多电线组成，这些电线或者像手机上用到的直线，或者是一些灵巧的形状，就像出现电缆之前在电视机上使用的老兔子耳朵。单极和双级天线是两种最基本的一维天线。 二维天线变化多样，有片状（一块正方形金属）、阵列状（组织好的二维模式的一束片），还有喇叭状，碟状。 天线根据使用场合的不同可以分为： 手持台天线、车载天线、基地天线三大类。手持台天线就是个人使用手持对讲机的天线，常见的有橡胶天线和拉杆天线两大类。车载天线是指原设计安装在车辆上通讯天线，最常见应用最普遍的是吸盘天线。车载天线结构上

9、也有缩短型、四分之一波长、中部加感型、八分之五波长、双二分之一波长等形式的天线。基地台天线在整个通讯系统中具有非常关键的作用，尤其是作为通讯枢纽的通信台站。常用的基地台天线有玻璃钢高增益天线、四环阵天线（八环阵天线）、定向天线。微带天线的概念早在1953年就由GADeSchamps提出，在20世纪50年代和60年代只有一些零星的研究。直到20世纪70年代初期，当微带传输线的理论模型及对敷铜的介质基片的光刻技术发展之后，第一批具有许多设计结构的实用的微带天线才被制造出来。缝隙天线最早是在1946年HGBooker提出的，同微带天线一样最初没有引起太多的注意。缝隙天线可以借助同轴电缆很方便地馈送能

10、量，也可用波导馈电来实现朝向大平片单侧的辐射，还可以在波导壁上切割出缝隙的阵列。缝隙开在导电平片上，称为平板缝隙天线； 开在圆柱面上，称为开缝圆柱天线。开缝圆柱导体面是开缝导体片至开缝圆柱导体面的进化。波导缝阵天线由于其低损耗、高辐射效率和性能等一系列突出优点而得到广泛应用；而平板缝隙天线却因为损耗较大，功率容量低，效率不高，导致发展较为缓慢。到1972年，YYoshimura明确提出微带馈电缝隙天线的概念。学者在微带缝隙天线的研究方面已经取得一些成就，显示其很多优点。如馈电网络和辐射单元相对分离，从而把馈线对天线辐射方向图的影响降到最小，对制造公差要求比贴片天线低，可用标准的光刻技术在敷铜电

11、路板上进行生产， 在组阵时其单元间隔离可比贴片天线更大。特别是对于运动物体所用天线，微带缝隙天线可以说是理想的选择， 因为它可以与物体的表面做得平齐，没有凸起部分，用于快速飞行器表面时不会带来附加的空气阻力， 既隐蔽又不影响物体的运动。从微带天线的概念提出以来，由于它剖面薄、重量轻、可与载体共形、易与有源器件集成等优点，已经被广泛地应用于卫星通信、导航等领域。但是，微带天线频带较窄的突出缺点又限制了它的实际应用。目前在高频应用上，采用更多的是微带缝隙天线，它具有对加工精度要求低，可用标准的光刻技术在敷铜电路板上进行生产的优点，尤其是微带宽缝天线更是有效地拓宽了频带。目前缝隙天线(包括波导缝隙天

12、线)已被广泛地应用于无线移动通信天线以及卫星直播电视天线。1.2 天线特性的主要参数天线的特性参数主要有方向函数或方向图，极化特性，频带宽度，输入阻抗等，为了方便对天线的方向图进行比较，就需要规定一些表示方向图特性的参数。这些参数有：天线增益G（或方向性Gd）、波束宽度（或主瓣宽度）、旁瓣电平等。下面就简单介绍一下天线特性参数。1.极化特性指天线在最大辐射方向上电场矢量的方向随时间变化的规律。按天线所辐射的电场的极化形式，可将天线分为线极化天线、圆极化天线和椭圆极化天线。线极化又可分为水平极化和垂直极化；圆极化和椭圆极化都可分为左旋和右旋。2.输入阻抗天线阻抗简单地讲就是在天线部分上的电压和电

13、流比率。由于在天线各点的电压和电流的分配不尽相同，各点的阻抗也不相同，其中馈电点的阻抗最为重要，对半波长偶极子天线来说就是中央天线。为使无线电收发器具有最佳的功率传送，这点的阻抗应该和馈线电缆的阻抗相同。天线的输入阻抗等于传输线的特性阻抗，才能使天线获得最大功率。3.带宽天线的电参数都与频率有关，当工作频率偏离设计频率时，往往要引起天线参数的变化。当工作频率变化时，天线的有关电参数不应超出规定的范围，这一频率范围称为频带宽度，简称为天线的带宽。4.远区场如果所观测点离开波源很远、很远，波源可近似为点源。从点源辐射的波其波阵面是球面。因为观测点离开点源很远很远，在观察者所在的局部区域，其波阵面可

14、近似为平面，当作平面波处理。符合这一条件的场通常称为远区场。这里所谓很远很远都是以波长来计量的。5.方向函数或方向图离开天线一定距离处，描述天线辐射的电磁场强度在空间的相对分布的数学表达式，称为天线的方向性函数；在离开天线一定距离处，描述天线辐射的电磁场强度在空间的相对分布的图形就叫天线的方向图。最大辐射波束通常称为方向图的主瓣。主瓣旁边的几个小的波束叫旁瓣。天线增益是在波阵面某一给定方向天线辐射强度的量度。它是被研究天线在最大辐射方向的辐射强度与被研究天线具有同等输入功率的各向同性天线在同一点所产生的最大辐射强度之比。 (1.1)天线方向性与天线增益类似但与天线增益定义略有不同。 (1.2)

15、因为天线总有损耗，天线辐射功率比馈入功率总要小一些，所以天线增益总要比天线方向性小一些。理想天线能把全部馈入天线的功率限制在某一立体角内辐射出去，且在立体角内均匀分布。这种情况下天线增益与天线方向性相等。 (1.3)理想的天线辐射波束立体角及波束宽度 图1.1 立体角及波束宽度实际天线的辐射功率有时并不限制在一个波束中，在一个波束内也非均匀分布。在波束中心辐射强度最大，偏离波束中心，辐射强度减小。辐射强度减小到3db时的立体角即定义为。波束宽度与立体角关系为 : （1.4）旁瓣电平是指主瓣最近且电平最高的。第一旁瓣电平，一般以分贝表示。方向图的旁瓣区一般是不需要辐射的区域，其电平应尽可能的低。

16、天线效率定义为： （1.5）式中，为输入功率；为欧姆损耗；为辐射功率。天线的辐射电阻用来度量天线辐射功率的能力，它是一个虚拟的量，定义如下：设有一个电阻，当通过它的电流等于天线上的最大电流时，其损耗的功率就等于辐射功率。显然，辐射电阻越大，天线的辐射能力越强。由上述定义得辐射电阻与辐射功率的关系为 （1.6）即辐射电阻为 （1.7）仿照引入辐射电阻的办法，损耗电阻R1为 （1.8）将上述两式代入效率公式，得天线效率为 （1.9）可见，要提高天线效率，应尽可能提高，降低。6.驻波系数和行波系数为了定量描述传输线上的行波分量和驻波分量，引入驻波系数和行波系数。传输线上最大电压(或电流)与最小电压(

17、或电流)的比值，定义为驻波系数或驻波比，表示为 （1.10）驻波系数和反射系数的关系可导出如下 （1.11）故得 （1.12） （1.13）行波系数定义为传输线上最小电压(或电流)与最大电压(或电流)的比值，即 （1.14）显然： （1.15）7.效率效率有辐射效率与天线效率之分。由于入射波反射的存在，天线不可能把入射功率全部提供到天线的输入端口作为天线的输入功率。同时，天线也不可能把从馈线输入给他的输入功率全部辐射出去，总有一部分要损耗掉，如天线导线中的热损耗、介质中的介质损耗、地电流的损耗以及天线近旁物体吸收电磁波一起的损耗等等。为了便于对概念的理解，先将天线的有关的基本功率定义如下：入射

18、功率：指发射机等提供给天线的功率。反射功率：指天线反射回来的功率。输入功率：指收发机等提供给天线的功率。损耗功率：指由于导线、介质或者地电流等存在而损耗的功率。辐射功率：指天线把发射机提供的功率扣除损耗辐射出去的功率。根据以上定义，很容易得到： （1.16）1.3 微带缝隙天线的应用微带缝隙天线在航天器飞行、卫星直播电视以及医学诊断中得到了应用。在卫星直播电视接受中，11.1712.5GHz频带内的宽缝微带天线阵得到了应用。人们以矩形宽缝微带天线作为作为阵元，作出了2，4，16，64以及512单元平面阵。在H面内，单元缝隙间距为，E面缝隙间距为/2。缝隙是由微带分路器馈电。图1.2表示512单

19、元宽缝隙组成的阵方向图和增益。这种天线的缺点是单元多，馈电网络复杂。 (a)方向图 (b)增益与频率的关系图1.2 512单元缝阵的方向图和增益近来，人们制作了一种宽带高增益圆缝阵。阵元圆缝结构如图1.3所示。 图1.3 圆缝的结构圆缝直径与波长可比，因此它也属于宽缝。他是由两介质板之间带线激励的，下面有一段圆波导状金属导体。调整带线宽度和深入缝中的长度可以获得带宽匹配。为了提到增益，在圆缝上金属表面加一层直径大一些的厚金属板，形成短圆喇叭状。一个44圆缝阵的实验数据是：基板厚度1.75mm；相对介电常数2.32；用50欧姆带线馈电。缝隙的工作模式为TEM，中心频率为12GHz，驻波系数为2：

20、1的带宽可达2GHz；单缝增益为10dB。阵的增益为20.6dB。在11.1712.5GHz频率范围内，天线效率可达到57%67%。交叉极化低于最大增益25 dB。上述数据表明，在同样指标要求下，圆缝隙阵优于矩形宽缝隙阵。图1.4为医用宽缝隙微带天线结构示意图。单缝的增益可达到6dB。工作频率为S波段。 图1.4 医用宽缝微带天线结构示意图这种天线放在人体组织附近进行诊断。因此，场强随缝隙表面与人体组织间距离变化的数据是重要的。图表示场强随缝隙表面与水平面距离的变化。在医疗诊断和治疗中，把微带缝隙天线表面贴在人体有关部位或与有关部委保持一定距离，目的是在人体有关部位上产生一定形状和强度的热区。

21、 1.4 Ansoft HFSS软件简介HFSS是由Ansoft公司推出的三维电磁仿真软件；HFSS是由Ansoft公司推出的三维电磁仿真软件；是世界上第一个商业化的三维结构电磁场仿真软件，业界公认的三维电磁场设计和分析的电子设计工业标准。HFSS提供了一简洁直观的用户设计界面、精确自适应的场解器、拥有空前电性能分析能力的功能强大后处理器，能计算任意形状三维无源结构的S参数和全波电磁场。HFSS软件拥有强大的天线设计功能，它可以计算天线参量，如增益、方向性、远场方向图剖面、远场3D图和3dB带宽；绘制极化特性，包括球形场分量、圆极化场分量、Ludwig第三定义场分量和轴比。使用HFSS，可以计

22、算：基本电磁场数值解和开边界问题，近远场辐射问题； 端口特征阻抗和传输常数；S参数和相应端口阻抗的归一化S参数； 结构的本征模或谐振解。而且，由Ansoft HFSS和Ansoft Designer构成的Ansoft高频解决方案，是目前唯一以物理原型为基础的高频设计解决方案，提供了从系统到电路直至部件级的快速而精确的设计手段，覆盖了高频设计的所有环节。HFSS软件拥有强大的天线设计功能，它可以计算天线参量，如增益、方向性、远场方向图剖面、远场3D图和3dB带宽；绘制极化特性，包括球形场分量、圆极化场分量、Ludwig第三定义场分量和轴比。Ansoft HFSS提供了一个直观、易于使用、用于建立

23、任意三维无源器件模型的界面。创建一个设计包括步骤如下：1FileNew，然后点击ProjectInsert HFSS Design，新建一个Project。2HFSSSolution Type，设置解算类型，确定如何激励和收敛。HFSS有三种解算类型，第一种是模式驱动，根据波导模式的入射和反射功率表示S参数矩阵的解；第二种是终端驱动，根据传输线终端的电压和电流表示S参数矩阵的解；第三种是本征模，求解物理结构的谐振频率以及这些谐振频率下的场模式。3.创建互连结构模型。HFSS拥有强大的全参数三维模型创建功能，简单的实体建模中，直接使用HFSS中提供的基本图形即可。4.在创建每一个基本结构单元时，

24、HFSS都会提示确定其属性，默认的材料特性是真空。5.指定平面设置边界条件（HFSSBoundariesAssign）。HFSS有多种边界条件，在高速设计中最常用的有，理想电边界表示电场垂直于表面。理想磁边界是指电场方向与表面相切；完美匹配层边界用一种非实际的、阻抗与自由空间相匹配吸收层来模拟开放空间。6.指定端口设置激励（HFSSExcitationsAssign）。HFSS主要有波端口和集中端口，而在高速设计中，使用波端口的情况比较多。HFSS假定你定义的波端口连接到一个半无限长的波导，该波导具有与端口相同的截面和材料，每个端口都是独立地激励并且在端口中每一个入射模式的平均功率为1瓦，使用

25、波端口可以计算特性阻抗、复传播常数和S参数。7.分析设置。通过HFSSAnalysis SetupAdd Solution Setup可以进行自适应频率和收敛标准的设置，通过HFSSAnalysis SetupAdd Sweep可以得到互连结构的扫频响应，通常选择插值扫频。8.数据处理（HFSSResults）。HFSS具有功能强大又很灵活的数据管理和绘图能力，可以输出适合于Matlab编程，后缀为.m的S/Y/Z矩阵参数文件。1.5 论文的内容及安排第1章为绪论，简单介绍了微带缝隙天线研究背景及应用、天线特性参数，仿真软件及全文内容安排。第2章介绍了缝隙天线的理论分析、理想缝隙天线、有限大导

26、体面上的缝隙天线、圆柱体表面上的缝隙天线阵和微带缝隙天线。第3章通过Ansoft HFSS仿真软件分析了文献中的微带缝隙天线，通过得到的反射系数、方向图和电流分布图与理论比较，验证仿真的正确性。结束语部分对本文内容作了总结。 第2章 缝隙天线的理论分析如果在同轴线、波导管或空腔谐振器的导体壁上开一条或数条窄缝，可使电磁波通过缝隙向外空间辐射，而形成一种天线，这种天线称为缝隙天线。这种天线可以单独使用，也可以作天线阵的辐射单元。2.1 理想缝隙天线实际上理想缝隙天线是有外加电压或场激励的。不论激励方式如何，缝隙中的电场垂直于缝的长边，并在缝的中点呈上下对称分布，如图2.1（a）所示。不过，由于，

27、缝隙内外两表面的等效磁流反向，理想缝隙天线的场与前述磁流源激励时的场若在y0的半空间相同，则在y0的半空间相差一个负号。由于在同一表面上，等效磁流亦对缝中点呈上下对称分布，理想缝隙天线可等效为由磁流源激励的对称缝隙，如图2.1(b)所示。当然，这个磁流源的方向在内外两表面上也应当相反。与之互补对称的显然是尺寸相同的板状对称振子。图2.1 理想缝隙天线与板状对称阵子2.2 有限大理想导体面缝隙天线开在理想导电平板上的窄缝是偶极天线的对偶形式，设缝长为，缝宽为，缝中的电场与缝垂直，其振幅沿缝长呈驻波分布，缝中的电场 （2.1）式中，为波腹电压值。根据电磁场的等效原理，缝隙的辐射可由缝隙面上的方向等

28、效磁流来确定，其等效磁流面密度为 （2.2）对于窄缝可设磁流沿x的方向均匀分布，因此缝中的磁流为 （2.3）等效原理只能在缝隙口径的一侧产生正确的场，另一侧为零场。不过用假设的磁流作源，正确地求出缝隙某一侧的辐射场后，另一侧的场可以由对称性求出。缝隙天线可用同轴线不对称馈电，同轴线的外导体接在金属板上，内导体跨接在缝的另一边。由于半波长缝隙的输入阻抗比较大，同轴线的输入阻抗一般为50，为了获得良好的匹配可采用不对称激励方式将馈电点偏离缝隙中心，馈电点的输入阻抗大约按变化，馈电点到缝端的距离可取左右。缝隙天线也可以采用平行天线双线对称馈电，这种情况下可以调节平行双线的线径和相距，使其特性阻抗与缝

29、隙匹配。缝隙天线是双向辐射的，可以在金属板的一侧加一个反射腔实现单向辐射，反射腔的宽边保证反射腔内只传输模，窄边比缝宽略宽，深度为四分之一波长。由于单向辐射，具有反射腔时缝隙的输入导纳只有原来的一半，即输入阻抗为原来的一倍。直接使用同轴线很难实现匹配，解决的方法之一是采用T型变换器，这种结果更像是用一同轴波导变换器激励平面缝隙天线。降低中心馈电半波窄缝天线输入阻抗的另一种方法是采用折合缝隙天线。折合偶极子的输入阻抗比简单偶极子大3倍，因此折合缝隙天线的输入阻抗应为简单缝隙天线的四分之一，约100。实际上，缝隙不可能开在无限大尺寸的金属面上的。因此，必须了解有限尺寸金属面对天线辐射的影响。设这种

30、情况下缝隙天线的方向图必须考虑绕射的影响，严格的分析可采用几何绕射理论进行。单缝辐射器常采用飞行器天线，如飞机垂直尾翼上的开槽天线，通常缝的长度不是半波长而是四分之一波长，采用不对称激励方式类似于一个单极天线。有一个开有一条缝隙的无限薄和无限大的金属平面以及一个无限薄的金属平面对称阵子，阵子形状、尺寸与缝隙完全相同。依据对称阵子的计算方法，缝隙天线可以看成由许多基本缝隙辐射场迭加求得，缝隙天线辐射场的公式为 （2.4） （2.5） 所以E面是的面，H面是的面。不同和金属平板尺寸上缝隙天线单面辐射的E面方向图，实、虚线分别表示计算和测量值。计算和实测都表明，沿缝隙轴方向的金属板尺寸2h对方向图的

31、影响较小，而垂直于缝隙的金属板尺寸2l对方向图有明显的影响。 (a) , (b) , (c) ， (d) ， 图2.2 的单面辐射缝隙天线的E面方向图2.3 圆柱体表面上缝隙天线阵当圆柱体直径足够大时，圆柱体可以作为波导，则缝隙可以由波导内的电磁场激励。当圆柱体直径不大时，在圆柱体内可放置同轴线或二线式传输线，通常激励点选在缝隙的中点处。根据缝隙内的给定场求圆柱体缝隙天线辐射问题的理论解，已先后由A.A毕斯多里期尔斯给出。他研究圆柱体纵向缝隙所得到的结果清楚地说明了方向图的特点。由A.A毕斯多里期尔斯所推导出圆柱体单个纵向缝隙天线，远区场分量的表示式为 （2.6）式中为缝隙内最大电压；：射线与

32、z轴的夹角，或称子午角；为方位角（对缝隙的法线而言）；为与理想缝隙对偶的电阵子方向函数；为第二类一阶汉克尔函数；为圆柱体的直径。 2lwxyz 图2.3 圆柱波导上缝隙根据电磁场分布得出的波导壁表面电流分布及波导开缝情况。具体缝隙根据天线的不同用途和要求可以切割在波导的宽边，也可以切割在波导的窄边。同时可以是沿纬度方向切割，也可以有一定的倾角位置切割。由图可知，当圆柱体为小直径时，水平平面的方向图几乎为圆形。随着圆柱体直径的增加，缝隙前方辐射增强，而缝隙正后方（）辐射减弱，当时方向图为心脏形。 图2.4 单个纵向缝隙天线方向图当圆柱体直径足够大时，圆柱体可用作波导，则缝隙可由波导内的电磁场激励

33、。当在波导管内仅能传输模，且纵向缝隙是开在磁场矢量的纵向分量的最大值处时，缝隙的归一化等效电导等于 （2.7）式中为临界波长，为一与（ka）有关的系数，当圆柱体直径不大时，在圆柱体内可放置同轴线或二线式传输线，通常激励点选在辐射的中点处。若缝隙的几何尺寸、在波导上的位置、在波导中传送能量已经确定，则缝隙辐射能量的幅度及相位就确定了。一般在工程应用中，只要提到波导缝隙的设计，就会想到缝隙的等效电路。根据波导缝隙的等效电路形式，将波导缝隙可分为并联缝隙和串联缝隙2.4 微带缝隙天线2.4.1 微带缝隙天线的结构在50年代，人们在三板线的一个接地板上开缝构成辐射器，这就是微带缝隙天线，并且以此为阵元

34、构成缝阵。许多人对这种天线进行了研究。随着微波集成电路工艺的发展，人们在微带线接地板上光刻成缝隙构成微带缝隙天线。图2.5表示出了微带缝隙天线的结构。 图2.5 微带缝隙天线微带缝隙天线产生双向辐射；对制作公差要求低；与微带振子天线组合起来可以构成圆极化天线。他也是一种比较常见的天线。微带缝隙天线常见的的缝隙形状有矩形，圆形，或者环形(a)窄缝 (b)圆环缝 (c)宽缝 (d)圆贴缝图2.6 缝隙形状2.4.2 微带模型微带馈电缝隙天线的基本模型，是在微带线的接地平面上蚀刻单个缝隙或缝隙阵列作为辐射单元，该缝隙与微带线的带状导体成直角，微带线的电场经微带传播到达缝隙处通过耦合激励该缝隙，向外辐

35、射能量。为了能有效激励缝隙，可采用两种激励方式：带状导体或者穿过介质基板到缝隙边缘并短路，如图2.7所示，或者该带状导体终止于个远离缝隙边缘的开路短线，如图2.7所示，在缝隙外边缘实现了一个有效短路。（a） （b）图2.7 微带模型2.4.3 微带天线的辐射机理微带天线的辐射是通过金属贴片和接地平面之间的场分布来确定的，换句话说，辐射可以由会属贴片上的表面电流分布来描述。由于贴片的场分布或电流分布的精确计算非常复杂，因此一般采用简单的近似理论来建立一个微带天线的工作模型。下面简单介绍一种分析方法：假设微带天线贴片己接通微波信号，贴片的信号将在上、下表面以及地平面上建立一个电荷分布。由于贴片振荡

36、在主模时大约为半波长，从而引起和特性的电荷分布，这样贴片下表面电荷之间的排斥力将一些电荷从下表面沿其边缘推到其上表面。这种电荷运动在贴片的下表面和上表面产生了相应的电流密度和，如图2.8所示：图2.8 微带天线上的电荷分布和电流分布对于多数微带天线而言，h/w比值很小，因此电荷间的引力占主导地位。而且多数电荷和电流仍然在贴片的下层，只有少量的电流围绕贴片边缘流到上表面，产生一个与边缘正切的弱磁场。因此，我们可以作一个简单的近似：即正切磁场为0，让磁壁围绕贴片的四周。这种假设对于高的薄介质基片来说是成立的。由于使用的基片厚度与介质中的波长相比很薄()，因此沿厚度的场可以认为是恒定的，电场几乎与贴

37、片表面垂直。这样贴片可以近似为如下模型：顶部和底部有电场壁，沿4个矩形贴片边缘有磁场壁的一个空腔。在这种空腔中，只可能存在TM模式，图2.9所示为空腔模式的电场分布。腔体的4个侧壁代表4个窄孔径或裂缝，通过它们产生辐射。根据惠更斯(Huygens)场等效原理，微带贴片用上表面的等效电流密度来表示，4个裂缝用等效电流密度和磁流密度表示，其对应电磁场分别为和，等效电流如图2.10(a)所示图2.9 微带腔中TM10模式的电场分布对于薄基片，顶部贴片电流远远小于底部贴片电流，因此贴片电流的辐射可以忽略不计。类似地，沿贴片边缘的正切磁场和相应的电流密度上也可忽略不计，如图2.10(b)所示。根据镜像理

38、论可知，地平面的存在将使等效电流密度加倍。因此，贴片的辐射可以看作是沿外围的4条磁电流在自由空间辐射而产生的，如图2.10(c)所示。（a）（b）（c）图2.10 矩形微带天线上的等效电流密度 (a)(b)图2.11 辐射裂缝上的电流分布裂缝的等效磁流密度如图2.11所示。利用等效原理，每个裂缝的辐射场与电流密度为的磁偶极子相同。由于裂缝上的电流大小相等、方向相反，因此沿x轴分布的裂缝产生的辐射几乎为0。但沿Y轴的裂缝却构成了一个两单元的阵列，其电流密度的幅度相等且相位相同，相隔距离为贴片长度L。因此，贴片辐射等效为两个垂直裂缝的辐射。其它微带天线结构也可以用类似的方法通过等效裂缝来分析。2.

39、4.4 宽带缝隙天线传统上微带窄缝隙天线带宽可以达到20，但进一步增加缝的宽度时，其辐射电阻增加，这就带来辐射缝隙和馈电线之问的失配，降低阻带带宽。泰国的PRak1uea和NAnatrasirichai提出一种双L型微带缝隙天线，中心频率为2.4 GHz时带宽有322 MHz(VSWR，2:1)，52 GHz时有250 MHz(VSWR，2:1)，可以满足WLAN (the Wireless Local Area Network)对覆盖频率的要求。图2.12是文献【1】中提出的的微带缝隙天线，图2.13为文献【1】中的回波损耗曲线，此天线的带宽为60%。 图2.12 文献【1】中的微带缝隙天线

40、图2.13 文献【1】中的回波损耗曲线印刷缝隙天线是印刷天线的一个重要分支，它具有微带天线轮廓低、加工简单和易于批量生产等优点，但比微带天线具有相对更大的宽带。正是由于印刷缝隙天线的诸多优点，天线工作者们对此也做了大量的研究。从上世纪40年代起发展到今天，宽带印刷缝隙天线主要分为三类：渐变印刷开槽天线、共面波导馈印刷缝隙天线和微带馈印刷缝隙天线。1.渐变印刷开槽天线渐变印刷开槽天线（TSA）最早由Mahaparra等提出，由于尺寸较大，通常工作于毫米波频段。按照开槽简便的规律不同，这种天线主要有以下三种方式：指数渐变印刷开槽天线（Vivaldi antenna），直线渐变印刷开槽天线（LTSA

41、）和非渐变印刷开槽天线（CWSA），如图2.14所示。图2.14 三种渐变的印刷缝隙天线图图2.15 平衡双面反向指数渐变印刷天线在上述三种形式中，Vivaldi天线具有相对更宽的频带和更高的增益，由Gibson在1979年首先提出的，但其驻波比带宽最初由与微带线线与槽线的匹配问题而受到限制。Gazit等则提出了双面反向指数渐变印刷开槽天线（antipodal Vivaldi antenna），解决了微带线与槽线的带宽匹配问题，但交叉极化电平相对比较高。后来J.D.S. Langley等又引入了平衡双面反相指数渐变印刷开槽天线（balance antipodal Vivaldi antenna）来抑制天线的交叉极化。图2.15为一超宽带平衡双面反相指数渐变印刷开槽天线的结构图，该天线的带宽达到15:1，覆盖频率范围1.3-20GHz，交叉极化电平低于-17dB。渐变印刷缝隙天线具有很宽的带宽，但这种天线是端向辐射天线。因此，在一定程度上限制了其应用。2.微带馈电印刷缝隙天线传统的微带馈电印刷天线是在介质板的一个人金属面上开一个窄缝，在介质板的另一面通过开路或者短路的微带馈源对缝隙进行耦合激励，但是这种印刷窄缝天线一般只有57%的驻波比贷款，通过采用微带线馈电电路步长缝隙电抗并结合偏执馈电，可以使天线的贷款达到30%左右。近年来，天线工作者对款缝隙