[科普中国]-半波长缝隙天线

缝隙辐射原理

缝隙的辐射原理可以通过一个理想开缝天线模型加以说明，最简单的分析办法是将缝隙等效为一个磁振子天线，认为它是具有磁流源的天线，利用对偶性原理，磁振子的辐射可以通过电振子的辐射来类比。

如图1所示为半波长缝隙天线，2l大小为半个波长，可以近似看作一个理想开缝天线（即在无限大且非常薄的理想导电体表面上的开缝）。

根据电磁对偶性及巴稗涅原理可知，该缝隙天线的互补屏是一个极薄的，其大小和形状与缝隙完全相同的理想导电金属片（即如果将此金属片放置在缝隙的位置，它将恰好填补缝隙而构成一个完整的金属平面），这是一个片状的电振子天线。

比较这两种天线在其表面上的边界条件：在缝隙上，磁场矢量的切向分量Hts=0，而在振子上，电场矢量的切向分量Etd=0，在缝隙所在的平面上，除缝隙之外的其余部分，电场切向分量Ets=0，而在振子所在的平面上，除振子之外的其余部分，磁场切向分量Htd=0。由此可见，在电场与磁场矢量可以互换的条件下，理想缝隙天线与等效振子天线的边界条件是恒等的。根据唯一性定理，在封闭面上，只要给定场强的切向分量，就可唯一决定整个空间的场。因而，由麦克斯韦方程求得的振子天线的解，只需将其中的电场矢量更换为磁场矢量，而将磁场矢量更换为电场矢量，即可得到缝隙天线的解。

对两种天线的激励方式也是完全对偶的：对于电振子天线，一般认为它如同张开的双线结构，载有驻波电流，其电流按正弦规律分布。

其中，振子上为电流波腹点的振幅值：同样，对于缝隙天线，无论缝隙被何种方式激励，缝隙中只存在切向的电场强度，电场强度一定垂直于缝隙的长边，并对缝隙的中点呈上下对称的驻波分布，因而沿缝隙的电压也是按正弦规律分布，即

式中Ums为缝隙中波腹处的电压振幅值。

利用麦氏方程及相应的边界条件不难求得电振子天线的辐射场为

由于带状振子无限薄，其截面周长为2w，故振子电流Imd可用电流波腹处的磁场矢量切向分量Htd表示

因而，利用对偶原理，上式中将电磁对偶量对应替换，即可得到缝隙天线的解，半波长的理想缝隙天线的辐射磁场为

式中Ets为理想缝隙天线在其电压波腹处的电场切向分量。由于缝隙的波腹电压

理想缝隙天线的电磁场分布如图2所示。可见，理想缝隙天线与同长度的对称振子天线具有完全一样的方向性，只不过是电磁场的极化方向互换而已，理想缝隙天线的E面方向图与对称振子天线的H面方向图完全一致，而理想缝隙天线的H面方向图与对称振子天线的E面方向图完全一致。其方向函数均为

因为缝隙长度为半波长所以，

特点和优势

半波长缝隙天线是在金属板、波导管、同轴线或谐振腔上开缝隙，电磁波通过缝隙向外空间辐射，从而构成的一种口径天线。其最大的特点是低剖面，具有良好的平装结构，易于与安装物体共形，因而被称为“薄纸”天线。半波长缝隙阵列天线对天线口径面内的幅度分布容易控制、口径面利用率高、体积小、重量轻、可以实现低或极低副瓣。同时，半波长缝隙天线还具有结构牢固、简单紧凑、易于加工、造价经济、馈电方便、架设简单以及可隐蔽性、可装饰性等优势。

分类

通常用的半波长缝隙天线有两种类型，一种是开在金属平板上的缝隙一平板缝隙天线，一种是开在波导壁上的缝隙一波导缝隙天线。近年来，波导缝隙阵列天线由于其低损耗、高辐射效率和性能稳定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、发展较为缓慢。1