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1、天天 线线 与与 电电 波波 传传 播播第六章第六章第六章第六章 缝隙天线与微带天线缝隙天线与微带天线缝隙天线与微带天线缝隙天线与微带天线 授课老师：徐云学授课老师：徐云学6.1 引言引言常用于舰船导航、各种雷达设备。常用于舰船导航、各种雷达设备。特点：天线口面的场分布容易控制、天线口特点：天线口面的场分布容易控制、天线口径效率高、结构紧凑、强度高、可实现窄波束、径效率高、结构紧凑、强度高、可实现窄波束、低副瓣或者超低副瓣阵列天线。低副瓣或者超低副瓣阵列天线。缺点：重量重、加工精度要求高、天线成本缺点：重量重、加工精度要求高、天线成本比较高。比较高。6.2 巴卑涅原理巴卑涅原理结论结论结论结论
2、是（是（是（是（b b）情况下在）情况下在）情况下在）情况下在Z0Z0区域产生的场区域产生的场区域产生的场区域产生的场是（是（是（是（c c）情况下在）情况下在）情况下在）情况下在Z0Z0区域产生的场区域产生的场区域产生的场区域产生的场巴卑涅原理巴卑涅原理巴卑涅原理巴卑涅原理结论结论结论结论是（是（a）情况下在）情况下在Z0区域产生的场区域产生的场（1 1）6.2 巴卑涅原理巴卑涅原理巴卑涅原理巴卑涅原理巴卑涅原理巴卑涅原理证明证明证明证明 在（在（在（在（b b）和（）和（）和（）和（c c）情况下，）情况下，）情况下，）情况下，y0y0半空间的电磁场可半空间的电磁场可半空间的电磁场可半空间
3、的电磁场可表示为表示为表示为表示为总场入射场散射场总场入射场散射场总场入射场散射场总场入射场散射场 因此在（因此在（因此在（因此在（b b）和（）和（）和（）和（c c）情况下有）情况下有）情况下有）情况下有 在（在（在（在（b b）情况下，电屏上）情况下，电屏上）情况下，电屏上）情况下，电屏上感应电流感应电流感应电流感应电流 在在在在S S面（即面（即面（即面（即除去电屏除去电屏除去电屏除去电屏A A的的的的y y0 0平面）上的切向磁场平面）上的切向磁场平面）上的切向磁场平面）上的切向磁场 。原原原原因因因因和和和和均为均为均为均为S S面上的矢量面上的矢量面上的矢量面上的矢量（2 2）6
4、.2 巴卑涅原理巴卑涅原理 于是在（于是在（于是在（于是在（b b）情况下，可得）情况下，可得）情况下，可得）情况下，可得 于是在（于是在（于是在（于是在（c c）情况下，同理）情况下，同理）情况下，同理）情况下，同理 若把若把若把若把 称为混合场，则由上述四式称为混合场，则由上述四式称为混合场，则由上述四式称为混合场，则由上述四式可得可得可得可得 这说明在这说明在这说明在这说明在y y0 0平面的平面的平面的平面的A A面和面和面和面和S S面上入射场与混合场面上入射场与混合场面上入射场与混合场面上入射场与混合场有相同的边界条件，故在有相同的边界条件，故在有相同的边界条件，故在有相同的边界条
5、件，故在y0y0半空间（半空间（半空间（半空间（1 1）式成立。）式成立。）式成立。）式成立。6.2 巴卑涅原理巴卑涅原理巴卑涅原理巴卑涅原理巴卑涅原理巴卑涅原理结论结论结论结论证明结束证明结束证明结束证明结束把（把（把（把（2 2）式代入（）式代入（）式代入（）式代入（1 1）式，可得）式，可得）式，可得）式，可得 说明通过磁（电）屏的场等于互补电（磁）屏上说明通过磁（电）屏的场等于互补电（磁）屏上说明通过磁（电）屏的场等于互补电（磁）屏上说明通过磁（电）屏的场等于互补电（磁）屏上感应电（磁）流散射场的负值。感应电（磁）流散射场的负值。感应电（磁）流散射场的负值。感应电（磁）流散射场的负值。
6、更有实际意义的是电屏与互补电屏之间的电磁场更有实际意义的是电屏与互补电屏之间的电磁场更有实际意义的是电屏与互补电屏之间的电磁场更有实际意义的是电屏与互补电屏之间的电磁场关系。这可以利用巴卑涅原理和对偶原理得出。关系。这可以利用巴卑涅原理和对偶原理得出。关系。这可以利用巴卑涅原理和对偶原理得出。关系。这可以利用巴卑涅原理和对偶原理得出。对偶关系对偶关系对偶关系对偶关系（3 3）（2 2）6.2 巴卑涅原理巴卑涅原理 比较图中（比较图中（比较图中（比较图中（c c）和（）和（）和（）和（d d），可看出两者的源和屏完全对偶，），可看出两者的源和屏完全对偶，），可看出两者的源和屏完全对偶，），可看出
7、两者的源和屏完全对偶，因此他们在因此他们在因此他们在因此他们在y0y0半空间的场对偶。半空间的场对偶。半空间的场对偶。半空间的场对偶。将上式代入式（将上式代入式（将上式代入式（将上式代入式（1 1）和式（）和式（）和式（）和式（3 3），得到具有对偶的互补电屏），得到具有对偶的互补电屏），得到具有对偶的互补电屏），得到具有对偶的互补电屏（图中（图中（图中（图中（b b）和（）和（）和（）和（d d）间的电磁场关系）间的电磁场关系）间的电磁场关系）间的电磁场关系（1 1）（3 3）理想缝隙天线理想缝隙天线理想缝隙天线理想缝隙天线对称振子对称振子对称振子对称振子？6.3 理想缝隙天线理想缝隙天线【
8、理想缝隙天线】【理想缝隙天线】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。面上的直线缝隙，用同轴传输线激励。假设位于 平面上的无限大理想导体平面上开有宽度为 ，()长度 的缝隙。理想缝隙天线的电特性可借助与理想缝隙天线互补结构的对称振子的电特性计算。如何建立关系？6.3 理想缝隙天线理想缝隙天线n n如果如果A A面形状为窄长矩形结构，则图中（面形状为窄长矩形结构，则图中（b b）和（）和（d d）分别为板）分别为板状振子和理想缝隙。状振子和理想缝隙。n n当电、磁流源的形状与当电、磁流源的形状与A A面相同，并紧贴
9、面相同，并紧贴A A面时，由磁流源激面时，由磁流源激励的理想缝隙天线的电磁场可由与之互补的板状振子上的感励的理想缝隙天线的电磁场可由与之互补的板状振子上的感应电流的散射场计算。应电流的散射场计算。n n板状振子上的感应电流与电流源的电流等值反向。它的散射板状振子上的感应电流与电流源的电流等值反向。它的散射场与场与 电流源直接激励时的场反相，即差一个负号。电流源直接激励时的场反相，即差一个负号。巴卑涅原理巴卑涅原理巴卑涅原理巴卑涅原理6.3 理想缝隙天线理想缝隙天线缝隙被激励后，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：缝缝缝缝隙中隙中隙中隙中间间间间波腹波腹波腹波腹
10、处场处场处场处场强强强强值值值值电流源直接激励时的场为电流源直接激励时的场为 ，可得，可得实际上理想缝隙天线时由外加电压或者场激励的。不论激励实际上理想缝隙天线时由外加电压或者场激励的。不论激励方式如何，缝隙中的电场垂直于缝隙的长边，并关于缝隙的方式如何，缝隙中的电场垂直于缝隙的长边，并关于缝隙的中点上下对称分布，下图（中点上下对称分布，下图（a a）所示。因此理想缝隙天线可等）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，下图（效为由磁流源激励的对称缝隙，下图（b b）所示。与之互补的）所示。与之互补的是尺寸相同的板状对称振子，下图（是尺寸相同的板状对称振子，下图（c c）所示）所示
11、 。因此理想缝隙。因此理想缝隙天线与板状对称振子的场满足（天线与板状对称振子的场满足（4 4）式。）式。（4 4）6.3 理想缝隙天线理想缝隙天线【等效】【等效】缝隙相当于一个磁流源，由电场分布可得到等效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：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。6.3 理想缝隙天线理想缝隙天线根据对偶原理，磁对称阵子的辐射场可由电对称根据对偶原理，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，电流分阵子的辐射场对偶得出。对于电对称阵子，电流分布为：布为：辐射场表达式：由此得到 半空间，磁
12、对称阵子的辐射场为：6.3 理想缝隙天线理想缝隙天线理想缝隙与电对称阵子比较（电特性）理想缝隙与电对称阵子比较（电特性）理想缝隙与电对称阵子比较（电特性）理想缝隙与电对称阵子比较（电特性）n n理想缝隙与电对称阵子为互补天线；理想缝隙与电对称阵子为互补天线；理想缝隙与电对称阵子为互补天线；理想缝隙与电对称阵子为互补天线；n n方向性方向性方向性方向性相同，其相同，其相同，其相同，其方向函数方向函数方向函数方向函数为：为：为：为：1.1.场场场场的的的的极极极极化化化化不不不不同同同同，HH面面面面、E E面面面面互互互互换换换换，理理理理想想想想缝缝缝缝隙隙隙隙E E面面面面无无无无方方方方向
13、向向向性性性性，对对对对称称称称阵阵阵阵子子子子HH面面面面无无无无方方方方向性；向性；向性；向性；6.3 理想缝隙天线理想缝隙天线n n 二者辐射阻抗、输入阻抗乘积为常数。二者辐射阻抗、输入阻抗乘积为常数。二者辐射阻抗、输入阻抗乘积为常数。二者辐射阻抗、输入阻抗乘积为常数。以缝隙波腹处电压值以缝隙波腹处电压值 为计算辐射电阻的参为计算辐射电阻的参考电压，则考电压，则 若若理理想想缝缝隙隙天天线线与与其其互互补补的的电电对对称称振振子子的的辐辐射功率相等射功率相等，由，由缝隙的辐射功率缝隙辐射电阻电对称振子电对称振子理想缝隙理想缝隙6.3 理想缝隙天线理想缝隙天线因因因因为为为为电电电电对对对
14、对称称称称振振振振子子子子的的的的辐辐辐辐射射射射功功功功率率率率 与与与与其其其其辐辐辐辐射射射射电电电电阻阻阻阻 的关系为的关系为的关系为的关系为 推推推推导导导导出出出出理理理理想想想想缝缝缝缝隙隙隙隙天天天天线线线线的的的的辐辐辐辐射射射射电电电电阻阻阻阻与与与与其其其其互互互互补补补补的的的的电电电电对称振子的对称振子的对称振子的对称振子的辐射电阻辐射电阻辐射电阻辐射电阻之间关系式：之间关系式：之间关系式：之间关系式：辐射电阻辐射电阻辐射阻抗辐射阻抗输入阻抗输入阻抗 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
15、求得。均可由与其互补的电对称阵子的相应值求得。6.3 理想缝隙天线理想缝隙天线【辐射电阻】【辐射电阻】半波对称阵子的辐射阻抗为半波对称阵子的辐射阻抗为 ，理，理想半波缝隙天线的辐射电阻？辐射电导？想半波缝隙天线的辐射电阻？辐射电导？n n由于谐振电对称阵子的输入阻抗为纯阻，因此谐振由于谐振电对称阵子的输入阻抗为纯阻，因此谐振由于谐振电对称阵子的输入阻抗为纯阻，因此谐振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缝隙的输入阻抗也为纯阻，并且其谐振长度同样稍缝隙的输入阻抗也为纯阻，并且其谐振长度同样稍缝隙的输入阻抗也为纯阻，并且其谐振长度同样稍短于短于短
16、于短于 ，且缝隙越宽，缩短程度越大。，且缝隙越宽，缩短程度越大。，且缝隙越宽，缩短程度越大。，且缝隙越宽，缩短程度越大。6.4 波导缝隙天线波导缝隙天线 最基本的缝隙天线是由最基本的缝隙天线是由开在矩形波导壁上的半波开在矩形波导壁上的半波谐振缝隙构成的。谐振缝隙构成的。波导传输主模波导传输主模TE10TE10波。波。n n 在波导宽壁上有纵向和在波导宽壁上有纵向和横向两个电流分量，横向两个电流分量，横向横向横向横向分量分量分量分量的大小沿宽边呈余弦的大小沿宽边呈余弦分布，中心处为零，分布，中心处为零，纵向纵向纵向纵向电流电流电流电流沿宽边呈正弦分布，沿宽边呈正弦分布，中心处最大；中心处最大；n
17、 n 波导窄壁上只有横向电波导窄壁上只有横向电流，且沿窄边均匀分布。流，且沿窄边均匀分布。缝隙配置与电流分布缝隙配置与电流分布6.4 波导缝隙天线波导缝隙天线n n如如如如果果果果波波波波导导导导壁壁壁壁上上上上所所所所开开开开的的的的缝缝缝缝隙隙隙隙能能能能切切切切割割割割电电电电流流流流线线线线，则则则则中中中中断断断断的的的的电电电电流流流流线线线线将将将将以以以以位位位位移移移移电电电电流流流流的的的的形形形形式式式式延延延延续续续续，缝缝缝缝隙隙隙隙因因因因此此此此得得得得到到到到激激激激励励励励，波波波波导导导导内内内内的的的的传传传传输输输输功功功功率率率率通通通通过过过过缝缝缝
18、缝隙隙隙隙向向向向外外外外辐辐辐辐射射射射，这这这这样样样样的的的的缝隙也就被称为缝隙也就被称为缝隙也就被称为缝隙也就被称为辐射缝隙辐射缝隙辐射缝隙辐射缝隙。n n当当当当缝缝缝缝隙隙隙隙与与与与电电电电流流流流线线线线平平平平行行行行时时时时，不不不不能能能能在在在在缝缝缝缝隙隙隙隙区区区区内内内内建建建建立立立立激激激激励励励励电电电电场场场场，这这这这样样样样的的的的缝缝缝缝隙隙隙隙因因因因得得得得不不不不到到到到激激激激励励励励，不不不不具具具具有有有有辐辐辐辐射射射射能能能能力力力力，因而被称为因而被称为因而被称为因而被称为非辐射缝隙非辐射缝隙非辐射缝隙非辐射缝隙。n n受受受受激激
19、激激励励励励的的的的波波波波导导导导缝缝缝缝隙隙隙隙形形形形成成成成了了了了开开开开在在在在有有有有限限限限金金金金属属属属面面面面上上上上的的的的窄窄窄窄缝缝缝缝。当当当当金金金金属属属属面面面面的的的的尺尺尺尺寸寸寸寸有有有有限限限限时时时时，缝缝缝缝隙隙隙隙天天天天线线线线的的的的边边边边界界界界条条条条件件件件发发发发生生生生了了了了变变变变化化化化，对对对对偶偶偶偶原原原原理理理理不不不不能能能能应应应应用用用用，有有有有限限限限尺尺尺尺寸寸寸寸导导导导电电电电面面面面引引引引起起起起的的的的电电电电波波波波绕绕绕绕射射射射会会会会使使使使得得得得天天天天线线线线的的的的辐辐辐辐射射
20、射射特特特特性性性性发发发发生生生生改改改改变变变变。严严严严格格格格的的的的求求求求解解解解缝缝缝缝隙隙隙隙的的的的辐辐辐辐射射射射场场场场需需需需要要要要几几几几何何何何绕绕绕绕射射射射理理理理论论论论或或或或数数数数值值值值求求求求解解解解方法。方法。方法。方法。6.4 波导缝隙天线波导缝隙天线波导壁电流及缝隙缝隙缝隙g：能否：能否辐射电磁波辐射电磁波缝隙缝隙h：能否：能否辐射电磁波辐射电磁波缝隙缝隙a,b,c,I,j：能否辐射：能否辐射电磁波电磁波缝隙缝隙d,e,k：能否辐射：能否辐射电磁波电磁波缝隙缝隙f：能否辐：能否辐射电磁波射电磁波6.4 波导缝隙天线波导缝隙天线【缝隙天线的电特
21、性】【缝隙天线的电特性】【缝隙天线的电特性】【缝隙天线的电特性】n n对于开在矩形波导上的缝隙，对于开在矩形波导上的缝隙，对于开在矩形波导上的缝隙，对于开在矩形波导上的缝隙，E E 面面面面（垂直于缝隙轴向和波导（垂直于缝隙轴向和波导（垂直于缝隙轴向和波导（垂直于缝隙轴向和波导壁面的平面）壁面的平面）壁面的平面）壁面的平面）方向图与理想缝隙天线相比有一定的畸变方向图与理想缝隙天线相比有一定的畸变方向图与理想缝隙天线相比有一定的畸变方向图与理想缝隙天线相比有一定的畸变。n n宽边上的纵缝，宽边上的纵缝，宽边上的纵缝，宽边上的纵缝，由于沿由于沿由于沿由于沿E E面，标准波导的电尺寸一般只有面，标准
22、波导的电尺寸一般只有面，标准波导的电尺寸一般只有面，标准波导的电尺寸一般只有0.720.72，所以其，所以其，所以其，所以其E E面方向图的差别较大；面方向图的差别较大；面方向图的差别较大；面方向图的差别较大；n n宽宽宽宽边边边边上上上上的的的的横横横横缝缝缝缝，随随随随着着着着波波波波导导导导的的的的纵纵纵纵向向向向尺尺尺尺寸寸寸寸变变变变长长长长，其其其其E E 面面面面方方方方向向向向图图图图逐逐逐逐渐趋向于理想的半圆形。渐趋向于理想的半圆形。渐趋向于理想的半圆形。渐趋向于理想的半圆形。宽边上纵缝的宽边上纵缝的E E 面方向图面方向图n 矩形波导缝隙天线的矩形波导缝隙天线的H 面面（通
23、过缝隙轴向并且垂直于波（通过缝隙轴向并且垂直于波导壁的平面）沿金属面方向的导壁的平面）沿金属面方向的辐射为零，所以波导的有限尺辐射为零，所以波导的有限尺寸带来的影响相对较小，因此寸带来的影响相对较小，因此其其H面方向图与理想缝隙天线差面方向图与理想缝隙天线差别不大。别不大。6.4 波导缝隙天线波导缝隙天线n n波导缝隙天线和理想缝隙天线的辐射空间不同，波波导缝隙天线和理想缝隙天线的辐射空间不同，波波导缝隙天线和理想缝隙天线的辐射空间不同，波波导缝隙天线和理想缝隙天线的辐射空间不同，波导缝隙天线的导缝隙天线的导缝隙天线的导缝隙天线的辐射功率辐射功率辐射功率辐射功率相当于理想缝隙天线的一半相当于理
24、想缝隙天线的一半相当于理想缝隙天线的一半相当于理想缝隙天线的一半，因此波导缝隙天线的因此波导缝隙天线的因此波导缝隙天线的因此波导缝隙天线的辐射电导辐射电导辐射电导辐射电导也就也就也就也就为理想缝隙天线为理想缝隙天线为理想缝隙天线为理想缝隙天线的一半。的一半。的一半。的一半。半波谐振波导缝隙其辐射电导为半波谐振波导缝隙其辐射电导为半波谐振波导缝隙其辐射电导为半波谐振波导缝隙其辐射电导为 【等效电路】【等效电路】【等效电路】【等效电路】微微波波技技术术知知识识可可知知，波波导导可可以以等等效效为为双双线线传传输输线线，所所以以波波波波导导导导上上上上的的的的缝缝缝缝隙隙隙隙可可可可以以以以等等等等
25、效效效效为为为为和和和和传传传传输输输输线线线线并并并并联联联联或或或或串串串串联联联联的等效阻抗的等效阻抗的等效阻抗的等效阻抗。6.4 波导缝隙天线波导缝隙天线宽宽宽宽壁壁壁壁横横横横缝缝缝缝截截断断了了纵纵向向电电流流，因因而而纵纵向向电电流流以以位位移移电电流流的的形形式式延延续续，其其电电场场的的垂垂直直分分量量在在缝缝隙隙的的两两侧侧反反相相，导导致致缝缝隙隙的的两两侧侧总总电电场场发发生生突突变变，故故此此种种横横缝缝可等效成传输线上的可等效成传输线上的串联阻抗串联阻抗。波导宽壁横缝附近的电场 6.4 波导缝隙天线波导缝隙天线波波导导宽宽宽宽壁壁壁壁纵纵纵纵缝缝缝缝却却使使得得横横
26、向向电电流流向向缝缝隙隙两两端端分分流流，因因而而造造成成此此种种缝缝隙隙两两端端的的总总纵纵向向电电流流发发生生突突变变，所所以以矩矩形形波波导导宽宽壁壁纵纵缝缝等等效效成成传传输输线线上上的的并并联联阻阻抗抗或或导纳。导纳。波导宽壁纵缝附近的电流其其他他缝缝缝缝隙隙隙隙同同同同时时时时引引引引起起起起纵纵纵纵向向向向电电电电流流流流和和和和电电电电场场场场的的的的突突突突变变变变，则则可可以把它等效成一个四端网络。以把它等效成一个四端网络。6.4 波导缝隙天线波导缝隙天线矩形波导壁上各种缝隙的等效电路矩形波导壁上各种缝隙的等效电路矩形波导壁上各种缝隙的等效电路矩形波导壁上各种缝隙的等效电路
27、【谐振缝隙】【谐振缝隙】【谐振缝隙】【谐振缝隙】如如果果波波导导缝缝隙隙采采用用了了谐谐振振长长度度，它它们们的的输输输输入入入入电电电电抗抗抗抗或或或或输输输输入入入入电电电电纳纳纳纳为为为为零零零零，即即等等等等效效效效串串串串联联联联阻阻阻阻抗抗抗抗或或或或并并并并联联联联导导导导纳纳纳纳中中中中只只只只含有实部，不含有虚部。含有实部，不含有虚部。含有实部，不含有虚部。含有实部，不含有虚部。6.4 波导缝隙天线波导缝隙天线n n宽边纵向半波谐振缝隙，此时归一化电导可表示为宽边纵向半波谐振缝隙，此时归一化电导可表示为宽边纵向半波谐振缝隙，此时归一化电导可表示为宽边纵向半波谐振缝隙，此时归一
28、化电导可表示为n n宽边横向半波谐振缝隙，此时归一化电阻可表示为宽边横向半波谐振缝隙，此时归一化电阻可表示为宽边横向半波谐振缝隙，此时归一化电阻可表示为宽边横向半波谐振缝隙，此时归一化电阻可表示为n n窄边斜半波谐振缝隙，此时归一化电导可表示为窄边斜半波谐振缝隙，此时归一化电导可表示为窄边斜半波谐振缝隙，此时归一化电导可表示为窄边斜半波谐振缝隙，此时归一化电导可表示为6.4 波导缝隙天线波导缝隙天线n n有有了了相相应应的的等等效效电电路路，波波导导内内的的传传输输特特性性就就可可以以依依赖赖于于微微微微波波波波网网网网络络络络理理理理论论论论来来分分析析，例例如如反反射射系系数数及及频频率率
29、响响应应曲曲线线，从从而而更更方方便便地地计计算算矩矩形形波波导导缝缝隙隙天天线线的的电电特性，例如传输效率及匹配情况。特性，例如传输效率及匹配情况。n n在在已已获获得得匹匹配配的的波波导导上上开开出出辐辐射射缝缝隙隙，将将会会破破破破坏坏坏坏波波波波导导导导的的的的匹匹匹匹配配配配情情况况。为为了了使使带带有有缝缝隙隙的的波波导导匹匹配配，可可以以在在波波导导的的末末端端短短路路，利利用用短短路路传传输输线线的的反反射射消消去去谐谐振缝隙带来的反射，使得缝隙波导得到匹配。振缝隙带来的反射，使得缝隙波导得到匹配。6.5 波导缝隙阵波导缝隙阵为为了了加加强强缝缝隙隙天天线线的的方方向向性性，可
30、可以以在在波波导导上上按按一一定定的的规规律律开开出出一一系系列列尺尺寸寸相相同同的的缝缝隙隙，构构成成波波波波导导导导缝缝缝缝隙阵隙阵隙阵隙阵（Slot ArraysSlot Arrays）。）。由由于于波波导导场场分分布布的的特特点点，缝缝隙隙天天线线阵阵的的组组阵阵形形式式更加灵活和方便，但主要有以下两类组阵形式。更加灵活和方便，但主要有以下两类组阵形式。n n谐振式缝隙阵（谐振式缝隙阵（谐振式缝隙阵（谐振式缝隙阵（Resonant Slot ArraysResonant Slot Arrays）n n非谐振式缝隙阵（非谐振式缝隙阵（非谐振式缝隙阵（非谐振式缝隙阵（Nonresonant
31、 Slot ArraysNonresonant Slot Arrays）6.5 波导缝隙阵波导缝隙阵【谐振式缝隙阵】【谐振式缝隙阵】【谐振式缝隙阵】【谐振式缝隙阵】n n波导上所有缝隙都得到波导上所有缝隙都得到波导上所有缝隙都得到波导上所有缝隙都得到同相激励。同相激励。同相激励。同相激励。n n最大辐射方向与天线轴垂直，为最大辐射方向与天线轴垂直，为最大辐射方向与天线轴垂直，为最大辐射方向与天线轴垂直，为边射阵边射阵边射阵边射阵。n n波导终端通常采用波导终端通常采用波导终端通常采用波导终端通常采用短路活塞短路活塞短路活塞短路活塞。（1 1）开在宽壁上的横向谐振缝隙阵）开在宽壁上的横向谐振缝隙
32、阵）开在宽壁上的横向谐振缝隙阵）开在宽壁上的横向谐振缝隙阵为为保保保保证证证证各各各各缝缝缝缝隙隙隙隙同同同同相相相相，相相邻邻缝缝隙隙的的间间距距应应取取为为 。由由于于波波导导波波长长 大大于于自自由由空空间间波波长长，这这种种缝缝隙隙阵阵会会出出现现栅栅瓣瓣，同同时时在在有有限限长长度度的的波波导导壁壁上上开开出出的的缝缝隙隙数数目目受受到到限限制制，增增益益较较低低，因此实际中较少采用。图（因此实际中较少采用。图（a a）6.5 波导缝隙阵波导缝隙阵（2 2）纵向谐振缝隙阵（一）纵向谐振缝隙阵（一）纵向谐振缝隙阵（一）纵向谐振缝隙阵（一）利用了在利用了在宽壁中心线两侧对称位置处横向电流
33、反宽壁中心线两侧对称位置处横向电流反宽壁中心线两侧对称位置处横向电流反宽壁中心线两侧对称位置处横向电流反相、沿波导每隔相、沿波导每隔相、沿波导每隔相、沿波导每隔 场强反相场强反相场强反相场强反相的特点，纵缝每隔的特点，纵缝每隔 交替地分布在中心线两侧即可得到同相激励。交替地分布在中心线两侧即可得到同相激励。图（图（b b）6.5 波导缝隙阵波导缝隙阵（3 3）纵向谐振缝隙阵（二）纵向谐振缝隙阵（二）纵向谐振缝隙阵（二）纵向谐振缝隙阵（二）图中对应的螺钉需要交替地分布在中心线两侧。图中对应的螺钉需要交替地分布在中心线两侧。图（图（c c）6.5 波导缝隙阵波导缝隙阵（4 4）纵向谐振缝隙阵（三）
34、纵向谐振缝隙阵（三）纵向谐振缝隙阵（三）纵向谐振缝隙阵（三）对于开在窄壁上的斜缝，相邻斜缝之间的距离为对于开在窄壁上的斜缝，相邻斜缝之间的距离为 ，斜缝通过切入宽壁的深度来增加缝隙的总长度，斜缝通过切入宽壁的深度来增加缝隙的总长度，并且依靠倾斜角的正负来获得附加的并且依靠倾斜角的正负来获得附加的 相差，以补偿相差，以补偿横向电流横向电流 所对应的所对应的 相差而得到各缝隙的同相激相差而得到各缝隙的同相激励。励。6.5 波导缝隙阵波导缝隙阵【非谐振式缝隙阵】【非谐振式缝隙阵】【非谐振式缝隙阵】【非谐振式缝隙阵】在在谐谐振振式式缝缝隙隙阵阵的的结结构构中中，如如果果将将将将波波波波导导导导末末末末
35、端端端端改改改改为为为为吸吸吸吸收收收收负负负负载载载载，让让让让波波波波导导导导载载载载行行行行波波波波，并并并并且且且且间间间间距距距距不不不不等等等等于于于于 ，就就可以构成非谐振式缝隙阵。可以构成非谐振式缝隙阵。显然，显然，非谐振缝隙天线各单元不再同相非谐振缝隙天线各单元不再同相非谐振缝隙天线各单元不再同相非谐振缝隙天线各单元不再同相。根根据据均均匀匀直直线线阵阵的的分分析析，非非非非谐谐谐谐振振振振缝缝缝缝隙隙隙隙天天天天线线线线阵阵阵阵的的的的最最最最大辐射方向偏离阵法线的角度大辐射方向偏离阵法线的角度大辐射方向偏离阵法线的角度大辐射方向偏离阵法线的角度为为非谐振缝隙天线适适用用于
36、于频频率率扫扫描描天天线线，因为与频率有关，波束指向 可以随之变化。非谐振式天线的优点是频频带带较较宽宽，缺点是效效率率较低较低。6.5 波导缝隙阵波导缝隙阵【匹配偏斜缝隙阵】【匹配偏斜缝隙阵】【匹配偏斜缝隙阵】【匹配偏斜缝隙阵】如果谐振式缝隙天线阵中的缝隙都是如果谐振式缝隙天线阵中的缝隙都是如果谐振式缝隙天线阵中的缝隙都是如果谐振式缝隙天线阵中的缝隙都是匹配缝隙匹配缝隙匹配缝隙匹配缝隙，即不在，即不在，即不在，即不在波导中产生反射，波导波导中产生反射，波导波导中产生反射，波导波导中产生反射，波导终端接匹配负载终端接匹配负载终端接匹配负载终端接匹配负载，就构成了匹配偏斜，就构成了匹配偏斜，就构
37、成了匹配偏斜，就构成了匹配偏斜缝隙天线阵。缝隙天线阵。缝隙天线阵。缝隙天线阵。图示的波导宽壁上的图示的波导宽壁上的图示的波导宽壁上的图示的波导宽壁上的匹配偏斜缝隙天线阵匹配偏斜缝隙天线阵匹配偏斜缝隙天线阵匹配偏斜缝隙天线阵，适当地调整，适当地调整，适当地调整，适当地调整缝隙对中线的偏移缝隙对中线的偏移缝隙对中线的偏移缝隙对中线的偏移 和斜角和斜角和斜角和斜角 ，可使得缝隙所，可使得缝隙所，可使得缝隙所，可使得缝隙所等效的归一化等效的归一化等效的归一化等效的归一化输入电导输入电导输入电导输入电导为为为为1 1，其电纳部分由缝隙中心附近的电抗振子补偿，其电纳部分由缝隙中心附近的电抗振子补偿，其电纳
38、部分由缝隙中心附近的电抗振子补偿，其电纳部分由缝隙中心附近的电抗振子补偿，各缝隙可以得到同相各缝隙可以得到同相各缝隙可以得到同相各缝隙可以得到同相，最大辐射方向与宽边垂直最大辐射方向与宽边垂直最大辐射方向与宽边垂直最大辐射方向与宽边垂直。匹配偏斜缝隙天线阵能在较宽的频带内与波导有较好的匹配偏斜缝隙天线阵能在较宽的频带内与波导有较好的匹配偏斜缝隙天线阵能在较宽的频带内与波导有较好的匹配偏斜缝隙天线阵能在较宽的频带内与波导有较好的匹配，匹配，匹配，匹配，带宽主要受增益改变的限制带宽主要受增益改变的限制带宽主要受增益改变的限制带宽主要受增益改变的限制，通常是，通常是，通常是，通常是5%10%5%10
39、%。其。其。其。其缺点缺点缺点缺点是调配元件使波导功率容量降低。是调配元件使波导功率容量降低。是调配元件使波导功率容量降低。是调配元件使波导功率容量降低。6.5 波导缝隙阵波导缝隙阵【方向图】【方向图】【方向图】【方向图】矩形波导缝隙天线阵的方向图可用矩形波导缝隙天线阵的方向图可用矩形波导缝隙天线阵的方向图可用矩形波导缝隙天线阵的方向图可用方向图乘积定方向图乘积定方向图乘积定方向图乘积定理理理理求出，单元天线的方向图即为与半波缝隙互补的求出，单元天线的方向图即为与半波缝隙互补的求出，单元天线的方向图即为与半波缝隙互补的求出，单元天线的方向图即为与半波缝隙互补的半波对称振子的方向图，半波对称振子
40、的方向图，半波对称振子的方向图，半波对称振子的方向图，阵因子阵因子阵因子阵因子决定于缝隙的间距决定于缝隙的间距决定于缝隙的间距决定于缝隙的间距以及各缝隙的相对激励强度和相位差。以及各缝隙的相对激励强度和相位差。以及各缝隙的相对激励强度和相位差。以及各缝隙的相对激励强度和相位差。【方向系数】【方向系数】【方向系数】【方向系数】工程上波导缝隙天线阵的方向系数可用下式估算：工程上波导缝隙天线阵的方向系数可用下式估算：工程上波导缝隙天线阵的方向系数可用下式估算：工程上波导缝隙天线阵的方向系数可用下式估算：式中式中式中式中NN为阵元缝隙个数。为阵元缝隙个数。为阵元缝隙个数。为阵元缝隙个数。6.6 微带天
41、线微带天线【结构】【结构】微带天线是由导体薄片粘贴在背面有导体接地板的介质微带天线是由导体薄片粘贴在背面有导体接地板的介质基片上形成的天线。基片上形成的天线。贴片形状：贴片形状：矩形，圆形，三角形，多边形等。矩形，圆形，三角形，多边形等。馈电：馈电：微带传输线，同轴线，耦合馈电等。微带传输线，同轴线，耦合馈电等。6.6 微带天线微带天线【发展】【发展】微带辐射器的概念首先由微带辐射器的概念首先由DeschampsDeschamps于于19531953年提出来。但年提出来。但是，过了是，过了2020年，到了年，到了2020世纪世纪7070年代初，当较好的理论模型以年代初，当较好的理论模型以及对敷
42、铜或敷金的介质基片的光刻技术发展之后，实际的微及对敷铜或敷金的介质基片的光刻技术发展之后，实际的微带天线才制造出来，此后这种新型的天线得到长足的发展。带天线才制造出来，此后这种新型的天线得到长足的发展。【优点】【优点】体积小，重量轻，低剖面，能与载体共形；制造成本低，体积小，重量轻，低剖面，能与载体共形；制造成本低，易于批量生产；天线的散射截面较小；能得到单方向的宽瓣易于批量生产；天线的散射截面较小；能得到单方向的宽瓣方向图，最大辐射方向在平面的法线方向；易于和微带线路方向图，最大辐射方向在平面的法线方向；易于和微带线路集成；易于实现线极化和圆极化，容易实现双频段、双极化集成；易于实现线极化和
43、圆极化，容易实现双频段、双极化等多功能工作。等多功能工作。【应用】【应用】已已用用于于大大约约100MHz100GHz100MHz100GHz的的宽宽广广频频域域上上，包包括括卫卫星星通通信信、雷雷达达、遥遥感感、制制导导武武器器以以及及便便携携式式无无线线电电设设备备上上。相相同同结结构构的的微微带带天天线线组组成成微微带带天天线线阵阵可可以以获获得得更更高高的的增增益益和和更更大大的带宽。的带宽。6.7 矩形微带天线矩形微带天线矩形微带天线矩形微带天线矩形微带天线矩形微带天线，介质基片的上面的辐射贴片为矩，介质基片的上面的辐射贴片为矩，介质基片的上面的辐射贴片为矩，介质基片的上面的辐射贴片
44、为矩形结构，介质基片的背面为导体接地板的天线。形结构，介质基片的背面为导体接地板的天线。形结构，介质基片的背面为导体接地板的天线。形结构，介质基片的背面为导体接地板的天线。6.7 矩形微带天线矩形微带天线n n缝隙表面上的等效面磁流均与接地板平行，如图中虚线箭头缝隙表面上的等效面磁流均与接地板平行，如图中虚线箭头所示。所示。n n可以看出，沿两条边可以看出，沿两条边WW的磁流是同向的，故其辐射场在贴片的磁流是同向的，故其辐射场在贴片的法线方向同相叠加，呈现最大值。且随偏离此方向的角度的法线方向同相叠加，呈现最大值。且随偏离此方向的角度的增大而减小。形成边射方向图。的增大而减小。形成边射方向图。
45、n n沿每条沿每条L L边的磁流都由反对称的两部分构成，他们在边的磁流都由反对称的两部分构成，他们在HH面上各面上各处的辐射互相抵消；而两条边的磁流又彼此呈现反对称分布，处的辐射互相抵消；而两条边的磁流又彼此呈现反对称分布，因而在因而在E E面上各处，他们的场也相互抵消，在其他平面上这些面上各处，他们的场也相互抵消，在其他平面上这些磁流的辐射不会完全抵消，但与沿两条磁流的辐射不会完全抵消，但与沿两条WW边的辐射相比，都边的辐射相比，都比较弱，称为交叉极化分量。比较弱，称为交叉极化分量。n n矩形微带天线的辐射主要由沿两条矩形微带天线的辐射主要由沿两条WW缝隙上的等效面磁流产缝隙上的等效面磁流产
46、生，该两个边称为辐射边生，该两个边称为辐射边等效面磁流等效面磁流等效面磁流等效面磁流场分布场分布场分布场分布6.7 矩形微带天线矩形微带天线【辐射场】【辐射场】矩形微带天线的辐射场由相距矩形微带天线的辐射场由相距L L的两条的两条WW边缝隙边缝隙辐射场叠加而成。辐射场叠加而成。考虑考虑 的缝隙，表面磁流密度为：的缝隙，表面磁流密度为：对于远区观察点对于远区观察点 ，磁矢位为：，磁矢位为：式中考虑了接地板引入的镜像效应，积分后得式中考虑了接地板引入的镜像效应，积分后得6.7 矩形微带天线矩形微带天线由由 可得远区电场矢量为：可得远区电场矢量为：对于对于 处面磁流对辐射场的贡献，可考虑间处面磁流对辐射场的贡献，可考虑间距距 的等幅同相二元阵，其阵因子为：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：矩形微带天线远区辐射场为：6.7 矩形微带天线矩形微带天线【方向图】【方向图】【方向图】【方向图】由于实际微带天线的由于实际微带天线的 ，第一个因子近似等，第一个因子近似等于于1 1，方向函数可表示为：，方向函数可表示为：E E面（面（xoyxoy面），面），方向函数为：，方向函数为：6.7 矩形微带天线矩形微带天线H H面（面（xozxoz面），面），方向函数为：，方向函数为：6.8 微带天线应用微带天线应用