天线与电波传播第六章.ppt

天线与电波传播第六章缝隙天线与微带天线 授课老师 徐云学 6 1引言 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 缺点 重量重 加工精度要求高 天线成本比较高 6 2巴卑涅原理 结论 是 b 情况下在Z 0区域产生的场 是 c 情况下在Z 0区域产生的场 巴卑涅原理 结论 是 a 情况下在Z 0区域产生的场 1 6 2巴卑涅原理 巴卑涅原理 证明 在 b 和 c 情况下 y 0半空间的电磁场可表示为 总场 入射场 散射场 因此在 b 和 c 情况下有 在 b 情况下 电屏上感应电流在S面 即除去电屏A的y 0平面 上的切向磁场 原因 和 均为S面上的矢量 2 6 2巴卑涅原理 于是在 b 情况下 可得 于是在 c 情况下 同理 若把称为混合场 则由上述四式可得 这说明在y 0平面的A面和S面上入射场与混合场有相同的边界条件 故在y 0半空间 1 式成立 6 2巴卑涅原理 巴卑涅原理 结论 证明结束 把 2 式代入 1 式 可得 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 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 对偶关系 3 2 6 2巴卑涅原理 比较图中 c 和 d 可看出两者的源和屏完全对偶 因此他们在y 0半空间的场对偶 将上式代入式 1 和式 3 得到具有对偶的互补电屏 图中 b 和 d 间的电磁场关系 1 3 理想缝隙天线对称振子 6 3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 如果A面形状为窄长矩形结构 则图中 b 和 d 分别为板状振子和理想缝隙 当电 磁流源的形状与A面相同 并紧贴A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应电流的散射场计算 板状振子上的感应电流与电流源的电流等值反向 它的散射场与电流源直接激励时的场反相 即差一个负号 巴卑涅原理 6 3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 缝隙中间波腹处场强值 电流源直接激励时的场为 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 a 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 b 所示 与之互补的是尺寸相同的板状对称振子 下图 c 所示 因此理想缝隙天线与板状对称振子的场满足 4 式 4 6 3理想缝隙天线 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 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 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 电流分布为 辐射场表达式 由此得到半空间 磁对称阵子的辐射场为 6 3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为互补天线 方向性相同 其方向函数为 场的极化不同 H面 E面互换 理想缝隙E面无方向性 对称阵子H面无方向性 6 3理想缝隙天线 二者辐射阻抗 输入阻抗乘积为常数 以缝隙波腹处电压值为计算辐射电阻的参考电压 则 若理想缝隙天线与其互补的电对称振子的辐射功率相等 由 缝隙的辐射功率 缝隙辐射电阻 电对称振子 理想缝隙 6 3理想缝隙天线 因为电对称振子的辐射功率与其辐射电阻的关系为 推导出理想缝隙天线的辐射电阻与其互补的电对称振子的辐射电阻之间关系式 辐射电阻 辐射阻抗 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 辐射电阻 半波对称阵子的辐射阻抗为 理想半波缝隙天线的辐射电阻 辐射电导 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短于 且缝隙越宽 缩短程度越大 6 4波导缝隙天线 最基本的缝隙天线是由开在矩形波导壁上的半波谐振缝隙构成的 波导传输主模TE10波 在波导宽壁上有纵向和横向两个电流分量 横向分量的大小沿宽边呈余弦分布 中心处为零 纵向电流沿宽边呈正弦分布 中心处最大 波导窄壁上只有横向电流 且沿窄边均匀分布 6 4波导缝隙天线 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 缝隙因此得到激励 波导内的传输功率通过缝隙向外辐射 这样的缝隙也就被称为辐射缝隙 当缝隙与电流线平行时 不能在缝隙区内建立激励电场 这样的缝隙因得不到激励 不具有辐射能力 因而被称为非辐射缝隙 受激励的波导缝隙形成了开在有限金属面上的窄缝 当金属面的尺寸有限时 缝隙天线的边界条件发生了变化 对偶原理不能应用 有限尺寸导电面引起的电波绕射会使得天线的辐射特性发生改变 严格的求解缝隙的辐射场需要几何绕射理论或数值求解方法 6 4波导缝隙天线 波导壁电流及缝隙 缝隙g 能否辐射电磁波 缝隙h 能否辐射电磁波 缝隙a b c I j 能否辐射电磁波 缝隙d e k 能否辐射电磁波 缝隙f 能否辐射电磁波 6 4波导缝隙天线 缝隙天线的电特性 对于开在矩形波导上的缝隙 E面 垂直于缝隙轴向和波导壁面的平面 方向图与理想缝隙天线相比有一定的畸变 宽边上的纵缝 由于沿E面 标准波导的电尺寸一般只有0 72 所以其E面方向图的差别较大 宽边上的横缝 随着波导的纵向尺寸变长 其E面方向图逐渐趋向于理想的半圆形 宽边上纵缝的E面方向图 矩形波导缝隙天线的H面 通过缝隙轴向并且垂直于波导壁的平面 沿金属面方向的辐射为零 所以波导的有限尺寸带来的影响相对较小 因此其H面方向图与理想缝隙天线差别不大 6 4波导缝隙天线 波导缝隙天线和理想缝隙天线的辐射空间不同 波导缝隙天线的辐射功率相当于理想缝隙天线的一半 因此波导缝隙天线的辐射电导也就为理想缝隙天线的一半 半波谐振波导缝隙其辐射电导为 等效电路 微波技术知识可知 波导可以等效为双线传输线 所以波导上的缝隙可以等效为和传输线并联或串联的等效阻抗 6 4波导缝隙天线 宽壁横缝截断了纵向电流 因而纵向电流以位移电流的形式延续 其电场的垂直分量在缝隙的两侧反相 导致缝隙的两侧总电场发生突变 故此种横缝可等效成传输线上的串联阻抗 波导宽壁横缝附近的电场 6 4波导缝隙天线 波导宽壁纵缝却使得横向电流向缝隙两端分流 因而造成此种缝隙两端的总纵向电流发生突变 所以矩形波导宽壁纵缝等效成传输线上的并联阻抗或导纳 波导宽壁纵缝附近的电流 其他缝隙同时引起纵向电流和电场的突变 则可以把它等效成一个四端网络 6 4波导缝隙天线 矩形波导壁上各种缝隙的等效电路 谐振缝隙 如果波导缝隙采用了谐振长度 它们的输入电抗或输入电纳为零 即等效串联阻抗或并联导纳中只含有实部 不含有虚部 6 4波导缝隙天线 宽边纵向半波谐振缝隙 此时归一化电导可表示为 宽边横向半波谐振缝隙 此时归一化电阻可表示为 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 有了相应的等效电路 波导内的传输特性就可以依赖于微波网络理论来分析 例如反射系数及频率响应曲线 从而更方便地计算矩形波导缝隙天线的电特性 例如传输效率及匹配情况 在已获得匹配的波导上开出辐射缝隙 将会破坏波导的匹配情况 为了使带有缝隙的波导匹配 可以在波导的末端短路 利用短路传输线的反射消去谐振缝隙带来的反射 使得缝隙波导得到匹配 6 5波导缝隙阵 为了加强缝隙天线的方向性 可以在波导上按一定的规律开出一系列尺寸相同的缝隙 构成波导缝隙阵 SlotArrays 由于波导场分布的特点 缝隙天线阵的组阵形式更加灵活和方便 但主要有以下两类组阵形式 谐振式缝隙阵 ResonantSlotArrays 非谐振式缝隙阵 NonresonantSlotArrays 6 5波导缝隙阵 谐振式缝隙阵 波导上所有缝隙都得到同相激励 最大辐射方向与天线轴垂直 为边射阵 波导终端通常采用短路活塞 1 开在宽壁上的横向谐振缝隙阵为保证各缝隙同相 相邻缝隙的间距应取为 由于波导波长大于自由空间波长 这种缝隙阵会出现栅瓣 同时在有限长度的波导壁上开出的缝隙数目受到限制 增益较低 因此实际中较少采用 图 a 6 5波导缝隙阵 2 纵向谐振缝隙阵 一 利用了在宽壁中心线两侧对称位置处横向电流反相 沿波导每隔场强反相的特点 纵缝每隔交替地分布在中心线两侧即可得到同相激励 图 b 6 5波导缝隙阵 3 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 c 6 5波导缝隙阵 4 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 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 相差 以补偿横向电流所对应的 相差而得到各缝隙的同相激励 6 5波导缝隙阵 非谐振式缝隙阵 在谐振式缝隙阵的结构中 如果将波导末端改为吸收负载 让波导载行波 并且间距不等于 就可以构成非谐振式缝隙阵 显然 非谐振缝隙天线各单元不再同相 根据均匀直线阵的分析 非谐振缝隙天线阵的最大辐射方向偏离阵法线的角度为 非谐振缝隙天线适用于频率扫描天线 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带较宽 缺点是效率较低 6 5波导缝隙阵 匹配偏斜缝隙阵 如果谐振式缝隙天线阵中的缝隙都是匹配缝隙 即不在波导中产生反射 波导终端接匹配负载 就构成了匹配偏斜缝隙天线阵 图示的波导宽壁上的匹配偏斜缝隙天线阵 适当地调整缝隙对中线的偏移和斜角 可使得缝隙所等效的归一化输入电导为1 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 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 带宽主要受增益改变的限制 通常是5 10 其缺点是调配元件使波导功率容量降低 6 5波导缝隙阵 方向图 矩形波导缝隙天线阵的方向图可用方向图乘积定理求出 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 阵因子决定于缝隙的间距以及各缝隙的相对激励强度和相位差 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 式中N为阵元缝隙个数 6 6微带天线 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基片上形成的天线 贴片形状 矩形 圆形 三角形 多边形等 馈电 微带传输线 同轴线 耦合馈电等 6 6微带天线 发展 微带辐射器的概念首先由Deschamps于1953年提出来 但是 过了20年 到了20世纪70年代初 当较好的理论模型以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 优点 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 双极化等多功能工作 应用 已用于大约100MHz 100GHz的宽广频域上 包括卫星通信 雷达 遥感 制导武器以及便携式无线电设备上 相同结构的微带天线组成微带天线阵可以获得更高的增益和更大的带宽 6 7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 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 可以看出 沿两条边W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增大而减小 形成边射方向图 沿每条L边的磁流都由反对称的两部分构成 他们在H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 因而在E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W边的辐射相比 都比较弱 称为交叉极化分量 矩形微带天线的辐射主要由沿两条W缝隙上的等效面磁流产生 该两个边称为辐射边 等效面磁流 场分布 6 7矩形微带天线 辐射场 矩形微带天线的辐射场由相距L的两条W边缝隙辐射场叠加而成 考虑的缝隙 表面磁流密度为 对于远区观察点 磁矢位为 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 由可得远区电场矢量为 对于处面磁流对辐射场的贡献 可考虑间距的等幅同相二元阵 其阵因子为 矩形微带天线远区辐射场为 6 7矩形微带天线 方向图 由于实际微带天线的 第一个因子近似等于1 方向函数可表示为 E面 xoy面 方向函数为 6 7矩形微带天线 H面 xoz面 方向函数为 6 8微带天线应用