半波長縫隙天線

半波長縫隙天線

半波長縫隙天線是所開縫隙為二分之一波長的一種縫隙天線,而縫隙天線是在金屬體表面開縫,所開縫隙必須截斷金屬壁表面電流,表面電流的一部分繞過縫隙,而另一部分以位移電流的形式沿原方向流過縫隙,位移電流的電力線將向外空間輻射。

基本介紹

  • 中文名:半波長縫隙天線
  • 外文名:Half-wavelength slot antenna
  • 屬性:縫隙天線
  • 特點:低剖面、可集成化
  • 套用:移動通信、衛星廣播等領域
  • 分類:微帶縫隙、波導縫隙
縫隙輻射原理
縫隙的輻射原理可以通過一個理想開縫天線模型加以說明,最簡單的分析辦法是將縫隙等效為一個磁振子天線,認為它是具有磁流源的天線,利用對偶性原理,磁振子的輻射可以通過電振子的輻射來類比。
如圖1所示為半波長縫隙天線,2l大小為半個波長,可以近似看作一個理想開縫天線(即在無限大且非常薄的理想導電體表面上的開縫)。
根據電磁對偶性及巴稗涅原理可知,該縫隙天線的互補屏是一個極薄的,其大小和形狀與縫隙完全相同的理想導電金屬片(即如果將此金屬片放置在縫隙的位置,它將恰好填補縫隙而構成一個完整的金屬平面),這是一個片狀的電振子天線。
比較這兩種天線在其表面上的邊界條件:在縫隙上,磁場矢量的切向分量Hts=0,而在振子上,電場矢量的切向分量Etd=0,在縫隙所在的平面上,除縫隙之外的其餘部分,電場切向分量Ets=0,而在振子所在的平面上,除振子之外的其餘部分,磁場切向分量Htd=0。由此可見,在電場與磁場矢量可以互換的條件下,理想縫隙天線與等效振子天線的邊界條件是恆等的。根據唯一性定理,在封閉面上,只要給定場強的切向分量,就可唯一決定整個空間的場。因而,由麥克斯韋方程求得的振子天線的解,只需將其中的電場矢量更換為磁場矢量,而將磁場矢量更換為電場矢量,即可得到縫隙天線的解。
對兩種天線的激勵方式也是完全對偶的:對於電振子天線,一般認為它如同張開的雙線結構,載有駐波電流,其電流按正弦規律分布。
半波長縫隙天線
其中,振子上為電流波腹點的振幅值:同樣,對於縫隙天線,無論縫隙被何種方式激勵,縫隙中只存在切向的電場強度,電場強度一定垂直於縫隙的長邊,並對縫隙的中點呈上下對稱的駐波分布,因而沿縫隙的電壓也是按正弦規律分布,即
半波長縫隙天線
式中Ums為縫隙中波腹處的電壓振幅值。
利用麥氏方程及相應的邊界條件不難求得電振子天線的輻射場為
半波長縫隙天線
由於帶狀振子無限薄,其截面周長為2w,故振子電流Imd可用電流波腹處的磁場矢量切向分量Htd表示
半波長縫隙天線
因而,利用對偶原理,上式中將電磁對偶量對應替換,即可得到縫隙天線的解,半波長的理想縫隙天線的輻射磁場為
半波長縫隙天線
式中Ets為理想縫隙天線在其電壓波腹處的電場切向分量。由於縫隙的波腹電壓
半波長縫隙天線
半波長縫隙天線
半波長縫隙天線
理想縫隙天線的電磁場分布如圖2所示。可見,理想縫隙天線與同長度的對稱振子天線具有完全一樣的方向性,只不過是電磁場的極化方向互換而已,理想縫隙天線的E面方向圖與對稱振子天線的H面方向圖完全一致,而理想縫隙天線的H面方向圖與對稱振子天線的E面方向圖完全一致。其方向函式均為
半波長縫隙天線
因為縫隙長度為半波長所以,
半波長縫隙天線
半波長縫隙天線
圖2
特點和優勢
半波長縫隙天線是在金屬板、波導管、同軸線或諧振腔上開縫隙,電磁波通過縫隙向外空間輻射,從而構成的一種口徑天線。其最大的特點是低剖面,具有良好的平裝結構,易於與安裝物體共形,因而被稱為“薄紙”天線。半波長縫隙陣列天線對天線口徑面內的幅度分布容易控制、口徑面利用率高、體積小、重量輕、可以實現低或極低副瓣。同時,半波長縫隙天線還具有結構牢固、簡單緊湊、易於加工、造價經濟、饋電方便、架設簡單以及可隱蔽性、可裝飾性等優勢。
分類
通常用的半波長縫隙天線有兩種類型,一種是開在金屬平板上的縫隙一平板縫隙天線,一種是開在波導壁上的縫隙一波導縫隙天線。近年來,波導縫隙陣列天線由於其低損耗、高輻射效率和性能穩定等一系列突出優點而得到廣泛套用,而平板縫隙天線卻因為損耗較大、功率容量低、效率不高、發展較為緩慢。

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