天华中威科技微波小课堂_什么是缝隙天线

尽管缝隙天线的历史可以追溯到二十世纪中叶，但它却是近年来大量研究的主题，并且已成为紧凑型高频无线设备设计中的关键要素。

大多数人都将天线想象成这样一种东西： 

● 屋顶上的金属装置

● 与卫星通信的巨型天线

● 表面贴装芯片天线

● PCB 走线

但事实证明，天线也可以是一种没有东西的状态：缝隙天线由通过从导电表面去除部分材料而产生的一个或多个孔径组成。

缝隙天线的简史

浏览研究相关文献会让人觉得缝隙天线是最近才出现的创新，与紧凑型高性能 RF 电路的普及有关；然而，缝隙天线的研发实际上始于二战之前。与许多其他技术一样，军事敌对状态有利于其发展，在这种情况下，因为缝隙天线有潜力提高雷达系统的性能。 

缝隙天线技术长期以来一直与相对较高的频率有关，但在早期，“相对较高”可能意味着数百兆赫兹，而针对该范围的频率的天线相当大。这类天线更具体地称为缝隙波导天线 (SWA)，即较大的导电物体作为波导，该物体中的孔径根据波长确定大小，对整体结构的辐射方式有很强的影响（图 1）。

图 1. 这是 SWA 的铝制原型版本，旨在用作由导电体制成的可穿戴设备

SWA 仍然用于海上和机载雷达系统，相对于成本和复杂性提供了良好的性能。

随着 20 世纪的继续，科学家和工程师逐渐积累了大量关于缝隙天线设计、分析和实现的知识。在本文中，我们更感兴趣的是缝隙天线技术，因为它用于低压、小型电子设备。

缝隙天线的主要特性

缝隙天线在高频应用中很常见。早期的 SWA 被纳入在低微波频率下工作的雷达系统中，而最近涉及缝隙天线的研究正在探索 100 GHz 以上的应用。上面提到的可穿戴天线专为 5.8 GHz ISM（工业、科学和医疗）频段的物联网式无线通信而设计，人们似乎对用于毫米波 5G设计的缝隙天线非常感兴趣。

缝隙天线的性能取决于各种因素，例如几何形状以及缝隙是否具有后腔。但总体而言，缝隙天线对于高级 RF 设备很有吸引力，因为它们通常可以提供：

● 宽带宽

● 效率高

● 多功能性

● 低成本

● 易于制造

● 低调外形

缝隙天线的电磁行为

理论上，基础的缝隙天线只是导电平面上的一个矩形孔径。如果将RF（射频）电压信号施加到孔径的相对两侧，电流将围绕周边流动，并且该结构将辐射电磁波。

空旷的空间可以充当高性能天线的想法是违反直觉的，你可能会发现调用巴比涅原理会有所帮助，然后将缝隙天线想象成称为偶极子的基本天线配置的“对偶”。

巴比涅原理实际上源自光学，其内容如下：

巴比涅原理，也译作巴俾涅原理，指在点光源照射下，一个不透光物体产生的衍射图样和一个带有与该物体形状、大小完全相同的孔的衍射屏产生的衍射图样完全相同。 巴比涅原理大多用在光学，但它对其它形式的电磁辐射也是正确的。事实上，它是所有波衍射的一般原理，都是正确的。巴比涅原理的最常用地方是它能觉察尺寸和形状的等价。

亨利·布克 (Henry Booker) 将这一概念扩展到电磁领域，当将巴比涅-布克原理应用于缝隙天线时，它表明我们可以创建一个互补的导电模式并期望类似的辐射行为。图 2 显示了一个例子。

图 2. 导电平面中间的槽 (a) 和馈入偶极天线的示例信号 (b)

上图取自桑迪亚国家实验室研究员John Borchardt 的一篇论文。图 2(a) 显示了导电平面中间的缝隙，图 2(b) 中，信号被馈送到偶极天线，其导电部分与孔径的几何形状相对应。Borchardt 使用偶极子原理来计算缝隙的阻抗。

除槽型天线行为的概念外，图 3 还提供了另一个示例，这次来自Alan Sangster 的《紧凑型槽天线的演变》 。

图 3. 缝隙天线行为图示例

在这种情况下，缝隙天线概念可应用在带有孔径的微带传输线中。需要注意方向，缝隙位于微带正上方并垂直于微带，其方向可以中断电流。这种中断会导致电容效应和电感效应，当缝隙的几何形状（相对于信号波长）有利于电感-电容谐振时，传输线可用作有效辐射器。

缝隙天线——新设计的旧技术

缝隙天线代表了相当古老的技术，但在 5G 和 IoT 时代，它获得了新的意义和新的设计技术。