縫隙天線簡(jiǎn)介

來(lái)源：EETOP 作者：Robert Keim

盡管縫隙天線的歷史可以追溯到 20 世紀(jì)中葉，但它是最近許多研究的主題，并已成為緊湊型高頻無(wú)線設(shè)備設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵要素。

大多數(shù)人都將天線想象成一個(gè)東西，可以是：

屋頂上的金屬裝置

與衛(wèi)星通信的巨大碟形天線

表面貼裝芯片天線

PCB走線

但事實(shí)證明，天線也可以由某物體的部分缺失來(lái)構(gòu)成；縫隙天線就是由一個(gè)或多個(gè)通過(guò)從導(dǎo)電表面去除材料而形成的孔徑組成。縫隙天線也稱為開槽天線，是指在導(dǎo)體面上開縫形成的天線。典型的縫隙形狀是長(zhǎng)條形的，長(zhǎng)度約為半個(gè)波長(zhǎng)?？p隙可用跨接在它窄邊上的傳輸線饋電，也可由波導(dǎo)或諧振腔饋電。這時(shí)，縫隙上激勵(lì)有射頻電磁場(chǎng)，并向空間輻射電磁波。

縫隙天線及簡(jiǎn)史

瀏覽研究文獻(xiàn)給人的印象是，是最近的創(chuàng)新，與緊湊的高性能射頻（RF）電路的普及有關(guān)；然而，縫隙天線的研發(fā)實(shí)際上在二戰(zhàn)前就開始了。與其他許多技術(shù)一樣，軍事敵對(duì)行動(dòng)有利于技術(shù)進(jìn)步，在這種情況下，因?yàn)榭p隙天線有可能提高雷達(dá)系統(tǒng)的性能。

縫隙天線技術(shù)長(zhǎng)期以來(lái)一直與較高的頻率相關(guān)聯(lián)，但在早期，“較高”可能意味著數(shù)百兆赫茲，并且針對(duì)該范圍內(nèi)的頻率優(yōu)化的天線相當(dāng)大。這些類型的天線更具體地稱為開槽波導(dǎo)天線 (SWA)，當(dāng)一個(gè)更大的導(dǎo)電物體是波導(dǎo)時(shí)，該物體中的孔徑根據(jù)波長(zhǎng)大小，極大地影響了整體結(jié)構(gòu)的輻射方式。

SWA 仍在海上和機(jī)載雷達(dá)系統(tǒng)中使用，相對(duì)于成本和復(fù)雜性提供了良好的性能。

隨著時(shí)間推移，科學(xué)家和工程師逐漸積累了大量關(guān)于縫隙天線設(shè)計(jì)、分析和實(shí)施的知識(shí)。在本文中，我們更感興趣的是縫隙天線技術(shù)，因?yàn)樗捎糜诘碗妷?、小?a target="_blank">電子設(shè)備。

縫隙天線的主要特性

縫隙天線在高頻應(yīng)用中很常見。早期的 SWA 被整合到以低微波頻率運(yùn)行的雷達(dá)系統(tǒng)中，最近涉及縫隙天線的研究正在探索 100 GHz 以上的應(yīng)用。上面提到的可穿戴天線專為 5.8 GHz ISM（工業(yè)、科學(xué)和醫(yī)療）頻段的物聯(lián)網(wǎng)式無(wú)線通信而設(shè)計(jì)，人們似乎對(duì)用于毫米波 5G 設(shè)計(jì)的縫隙天線很感興趣。

縫隙天線的性能取決于多種因素，例如幾何形狀和縫隙是否有后腔。不過(guò)，總的來(lái)說(shuō)，縫隙天線對(duì)先進(jìn)的射頻設(shè)備很有吸引力，因?yàn)樗鼈兺ǔ？梢蕴峁?/p>

更寬的帶寬

良好的效率

多功能性

低成本

易于制造

扁平的外形設(shè)計(jì)

縫隙天線的電磁行為

理論上，基本的縫隙天線只是導(dǎo)電平面中的矩形孔。如果將RF（射頻）電壓信號(hào)施加到孔徑的相對(duì)兩側(cè)，電流將圍繞周邊流動(dòng)，這種結(jié)構(gòu)將會(huì)產(chǎn)生輻射。

將空空間作為高性能天線的想法是違反直覺的，你可能會(huì)發(fā)現(xiàn)，調(diào)用Babinet原理，然后將槽天線想象為被稱為偶極子的基本天線配置的“對(duì)偶”是有幫助的。

Babinet 的原理實(shí)際上取自光學(xué)，它陳述如下：

“通過(guò)屏幕傳輸?shù)牟ǖ目偤汀? . 再加上通過(guò)互補(bǔ)屏幕傳輸?shù)牟?，其總和與不存在屏幕的情況相同。" - Babinet 的電磁場(chǎng)原理

這個(gè)概念被 Henry Booker 擴(kuò)展到電磁領(lǐng)域，當(dāng) Babinet-Booker 原理應(yīng)用于縫隙天線時(shí)，它表明我們可以創(chuàng)建互補(bǔ)的導(dǎo)電模式并期望類似的輻射行為。圖 顯示了一個(gè)示例。

圖 導(dǎo)電平面中間的槽 (a) 和饋入偶極天線的示例信號(hào) (b)。圖片由John Borchardt提供

上圖摘自桑迪亞國(guó)家實(shí)驗(yàn)室研究員John Borchardt 的一篇論文。圖 (a) 顯示了導(dǎo)電平面中間的槽，在圖 2(b) 中，信號(hào)被饋送到偶極天線，其導(dǎo)電部分對(duì)應(yīng)于孔徑的幾何形狀。Borchardt 使用偶極版本來(lái)計(jì)算槽版本的阻抗。

除了縫隙天線行為的概念之外，圖 提供了另一個(gè)示例，來(lái)自Alan Sangster 的緊湊縫隙天線的演變。

圖 示例縫隙天線行為圖。

在這種情況下，縫隙天線被實(shí)現(xiàn)為微帶傳輸線中的孔徑。請(qǐng)注意方向，其中槽位于微帶正上方并垂直于微帶的方向，以干擾電流。這種破壞會(huì)導(dǎo)致電容和電感效應(yīng)，并且當(dāng)槽的幾何形狀（相對(duì)于信號(hào)波長(zhǎng)）有利于電感-電容諧振時(shí)，傳輸線會(huì)起到有效輻射器的作用。

縫隙天線——舊技術(shù)用于新設(shè)計(jì)

縫隙天線代表相當(dāng)古老的技術(shù)，在 5G 和物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代獲得了新的相關(guān)性和新的設(shè)計(jì)技術(shù)。盡管關(guān)于縫隙天線還有很多內(nèi)容可以說(shuō)，但我們希望本文能為您的進(jìn)一步研究打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

審核編輯：湯梓紅