HFSS天线设计高级培训教程第七章开槽天线

HFSS天线设计高级培训教程第七章开槽天线 第七章 开槽天线（Slot Antennas） 开槽天线又叫缝隙天线。为了分析的方便，将用到巴俾涅原理。利用巴俾涅 原理在分析开槽(缝隙)天线时，可将开槽天线用一互补的金属天线等效，若互补 的金属天线在空间的场能求得，则开槽天线的辐射场就能确定，但要经过电磁对 偶关系求得。因此，这章将先介绍两个原理，一是电磁对偶原理,一是巴俾涅原 理。 7.1 电与磁的对偶原理 （Duality） 又称二重性原理。在麦克斯韦方程组中，只要引入磁荷密度 ρ m和磁流密度 ，就会使得场与源之间形成电和磁的对应关系，麦氏方程就具有完全对称的形 式。见 P155 式(7.1)~(7.4)。而相应的场也有类似的电磁对应关系。这种电磁场之 间的特殊对应关系称为二重性原理。 i m 如果一个分析系统中既有电流i e (伴随有电荷 ρe )，也有磁流i m (伴随有磁荷 ρ m )，则可分别求解由电流源产生的场代入麦氏方程 P155 式(7.1)~(7.4)可得式(7.6)和 (7.7)。 ■电磁场可用矢量位A 和标量位φ 表示。 由电流i e、电荷 ρe分布确定的矢量磁位A 和标量电位φ 由 P156 式(7.8)给出。 由磁流i m、磁荷 ρ m分布确定的矢量电位Ae 和标量磁位φ m由式(7.9)给出。 ■由矢量磁位 A 、矢量电位 Ae 和标量电位φ 、标量磁位φ m 表示的总场由 P156 式(7.10)和(7.11)给出。 ■由微分形式的麦氏方程，可写作积分形式，见式(7.12)和(7.13)。 ■两种媒质分界面上的线电流密度和线磁流密度见式(7.14)和(7.15)。 由这些公式可看出，由电流量和电荷量表示的一个公式，就有一个磁流量和 磁荷量表示的公式与之对应，这就是电源量和磁源量公式的对偶关系。 现在的问题是：假如已知某种分布的电源量(电流i e 和电荷 ρe )得到的场公 式，能否由这些公式迅速导出由同样分布的磁源量(磁流i m和磁荷 ρ m )的对偶场 公式？或反之行否？回答是肯定的。例如式(7.6)、(7.7)麦氏方程的频域形式为 式(7-8)说明了无限大导电平面上洞孔的散射场E 和 与互补薄导体片的 散射场 e He Esd 和Hsd 之间的关系。由于电场 与磁场 对应，磁场 与电场E 对应，则洞孔的电磁场矢量与互补片的电磁场矢量在空间转了 90 ，即两者极化 方向相差 90 D ，见 P158 图 7-6。 Ee Hsd He D sd 由式(7.8)可以得到巴俾涅原理的一个重要结论： 对缝隙天线问题，可用它们的互补天线来求解。只要这些互补天线的辐射场 解容易得到，缝隙天线辐射场也就导出来了。 巴俾涅原理的实质：应用于电磁场理论分析中，对一个开槽天线的辐射场可 由其互补的金属天线来求解。E ，H 。说明开槽天线的电磁场矢 量与互补的金属天线的电磁场矢量在空间极化上相差 90 D 。 槽＝H金 槽＝－E金 7.3 平板开槽天线 1、半波开槽天线 开槽天线是开在薄金属板上的，若金属板较大，则可看作是无限大导体板， 在此板上开一细长缝隙，其长度为2l ，宽度为 W，且W l << ，W << λ ，即为理 想细缝。如图 7-3 所示。 若在缝隙中心处加上电压源V ，则在缝隙口面就形成垂直于长边的电场分 布E ，口面电场近似为正弦分布： 由 P66 则可讨论半波缝的频带宽度。 若金属板为有限大，如图 7-15 所示，此时，理想缝隙在 xz 面(H 面)内的辐 射方向图基本不变，但 xy 平面(E 面)内的场将影响很大，见图 7-15(b)和(c)。由 于宽度为 A 的两条边的绕射，使得 xy 面内的场方向图不再为一个圆，具体解法 可由几何绕射理论计算。 7.4 波导缝隙天线 是指在波导壁上开细缝而形成有效辐射的天线。可以在金属硬同轴波导、圆 波导、矩形波导壁上开缝。这里主要介绍在矩形波导壁上开缝，见图 P162 图 7-17。 1、缝隙的主要形式 矩形波导中传输的工作波型是主模 TE10 模，开缝的位置可以在波导的宽壁 上，或窄壁上。如图 7-6 所示： 《天线原理与设计》讲稿 王建 182 图 7-6 矩形波导壁上的缝隙形式 如果所开缝隙截断波导内壁电流，则内壁电流的一部分绕过缝隙，另一部分 以位移电流的形式沿原来方向流过缝隙，以维持总电流连续，因而缝被激励。 ■纵缝：当缝与波导轴线平行时，称为纵缝，如图中 2 和 3。 ■横缝：当缝与波导轴线垂直时，称为横缝，如图中 1。 ■斜缝：见上图 4 和 5，既可开在宽壁上，也可开在侧壁上。 常用的是矩形波导宽壁上开纵缝和斜缝，窄壁上开斜缝。 ■辐射单元：宽壁上开纵缝和窄壁上开斜缝常用作辐射单元。 ■耦合缝：宽壁上的斜缝多用作耦合单元，当然也可用作辐射单元。 ■纵缝单元方向图，如图 7-7 所示： 图 7-7 波导纵缝单元方向图 其 H 面方向图与无限大导电板上开缝的方向图相同，E 面方向图则与无限大 平面上开缝相仿。 波导宽壁上开横缝的 E 面和 H 面方向图应该与无限大平面上开缝的方向图 相同，因这种情况波在棱边上点T 和T′的绕射场为零。 图 7-8 矩形波导宽壁上的横缝 为了提高天线的方向性，可按一定规律在波导宽壁或窄壁上开一系列缝隙， 构成缝隙阵。见 P165 图 7-24 的宽壁上横缝阵，P166 图 7-25 的宽壁上纵缝阵和 图 7-26 窄壁上斜缝阵，阵列单元间距通常根据情况而定。 2、波导缝隙的等效导纳