劉 建，原 覺，劉 巍，李 強(qiáng)

（1.國(guó)家無線電監(jiān)測(cè)中心檢測(cè)中心，北京 100041；2.工業(yè)和信息化部機(jī)關(guān)服務(wù)局，北京 100804）

0 引言

隨著電子設(shè)備技術(shù)的發(fā)展，萬(wàn)物互聯(lián)的概念逐步實(shí)現(xiàn)，將所有家用的、工業(yè)的、民用的、軍用的電子電氣設(shè)備通過互聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一的控制，而萬(wàn)物互聯(lián)實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)是電磁場(chǎng)，電磁場(chǎng)的實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)是天線。我們熟知的大哥大使用的是單極天線，現(xiàn)在流行的5G手機(jī)使用的是邊框天線，老式電視機(jī)上使用的是八木天線等，而縫隙天線多用于雷達(dá)、通信、導(dǎo)航、電子對(duì)抗等普通人很少接觸的設(shè)備上，因此我們很少在日常生活中見到縫隙天線。

1 縫隙天線的類型

縫隙天線是一種在導(dǎo)體板上開鑿特定尺寸的縫隙形成的天線，導(dǎo)體板可以是展開的也可以是閉合的，閉合的方式主要有矩形波導(dǎo)、圓形波導(dǎo)、諧振腔等，對(duì)于平面導(dǎo)體板可以采用同軸線的饋電方式，對(duì)于閉合的導(dǎo)體板即可以采用同軸線饋電方式，也可以采用波導(dǎo)激勵(lì)饋電方式，閉合的導(dǎo)體板的開槽方式多種多樣，有橫向、縱向、斜向等?？p隙天線如圖1所示。

圖1 縫隙天線示意圖

波導(dǎo)縫隙天線作為縫隙天線的一種，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單耐用、易于安裝、饋電方便等特點(diǎn)，其天線參數(shù)性能也很出色，能夠?qū)崿F(xiàn)高增益、控制主瓣傾角、超低副瓣，副瓣電平甚至可達(dá)到-30 dB以下。因此，波導(dǎo)縫隙天線非常適合具有流線型外形的高速飛行器，融合度比較高，如機(jī)載雷達(dá)、導(dǎo)航設(shè)備、通信設(shè)備等。

作者簡(jiǎn)介：劉 建（1985-），男，漢族，山東人，中級(jí)工程師，碩士，研究方向?yàn)橥ㄐ排c網(wǎng)絡(luò)。原 覺（1990-），男，漢族，北京人，助理工程師，學(xué)士，研究方向?yàn)榄h(huán)境工程。劉 ?。?982-），男，漢族，北京人，高級(jí)工程師，學(xué)士，研究方向?yàn)殡姶偶嫒?、電氣安全?/p>

通信作者：李 強(qiáng)（1976-），男，漢族，北京人，高級(jí)工程師，學(xué)士，研究方向?yàn)橛?jì)算機(jī)技術(shù)、互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用。

2 縫隙天線電流電場(chǎng)分布

我國(guó)對(duì)縫隙天線的研究起步較晚，一直到20世紀(jì)70年代才開始。目前研究縫隙天線的理論基本基于Babinet原理或等效電路法分析及計(jì)算，本文準(zhǔn)備從縫隙天線電流電場(chǎng)分布入手，嘗試分析一下縫隙天線的工作原理。

通過查看標(biāo)準(zhǔn)矩形波導(dǎo)資料，選擇標(biāo)準(zhǔn)矩形波導(dǎo)型號(hào)BJ26，頻率范圍為2.17～3.3 GHz，外截面尺寸A×B為90.42 mm×47.24 mm，內(nèi)截面尺寸a×b為86.36 mm×43.18 mm，波導(dǎo)的金屬殼體厚度h為2.03 mm。在波導(dǎo)內(nèi)注入TE10模的電磁場(chǎng)。

由于波導(dǎo)內(nèi)存在電磁場(chǎng)，波導(dǎo)內(nèi)壁表面會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電流，根據(jù)趨膚深度公式[1]

。

波導(dǎo)內(nèi)壁面電流是縫隙天線進(jìn)行輻射的激勵(lì)源，前面提到選擇的波導(dǎo)型號(hào)是BJ26，頻率范圍為2.17～3.3 GHz，如果縫隙天線的諧振頻率選擇3 GHz，對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)是100 mm，縫隙天線尺寸為半個(gè)波長(zhǎng)，即50 mm，另外天線的阻抗和諧振頻率受構(gòu)成天線的導(dǎo)體直徑影響，隨著導(dǎo)體直徑增加，單位長(zhǎng)度的電容將隨之增加，單位長(zhǎng)度的電感將隨之減小，這將降低天線的諧振頻率，所以天線振子長(zhǎng)度要遠(yuǎn)大于天線振子直徑[3]。設(shè)縫隙天線的長(zhǎng)度為L(zhǎng)，寬度為w，且。此時(shí)設(shè)置縫隙寬5 mm，滿足要求。那么縫隙開在阻斷面電流流動(dòng)的位置，是如何激勵(lì)的？

按照標(biāo)準(zhǔn)波導(dǎo)和縫隙的尺寸建立縫隙天線的模型；將縫隙天線沿長(zhǎng)邊L分成若干個(gè)微元ΔFX，如圖2所示，微元ΔFX可以看作一個(gè)特殊的平板電容，極板面積為ΔS，板間距離為d，板間介質(zhì)是空氣，所以介電常數(shù)為 ，得到此平板電容的值，兩極的感應(yīng)時(shí)變電壓，極板上的電荷Q=UC；雖然縫隙阻斷了內(nèi)壁表面?zhèn)鲗?dǎo)電流，但由于電容的存在，使得內(nèi)壁表面產(chǎn)生位移電流，位移電流可表示如下：

圖2 縫隙天線微元示意圖

位移電流大小取決于波導(dǎo)內(nèi)壁表面磁場(chǎng)強(qiáng)度的變化率，即沿縫隙長(zhǎng)邊分布的磁場(chǎng)強(qiáng)度變化率，當(dāng)內(nèi)表面磁場(chǎng)按照正弦規(guī)律變化時(shí)，則位移電流id按照余弦規(guī)律變化，而板間電場(chǎng)強(qiáng)度是跟隨內(nèi)表面磁場(chǎng)變化而變化的，按正弦規(guī)律變化。

理想的電容，板間電場(chǎng)只分布在極板中間，但是由于電容邊緣效應(yīng)存在，電場(chǎng)會(huì)在電容極板兩側(cè)泄露出來，如圖2所示，電容兩端是延伸出去的良導(dǎo)體，會(huì)增強(qiáng)電容的邊緣效應(yīng)，即泄露的電場(chǎng)會(huì)增加，泄露的電場(chǎng)強(qiáng)度隨著導(dǎo)體延伸距離增加而逐漸減小。

以上是縫隙天線的微元分析，當(dāng)把縫隙天線看作整體分析時(shí)，我們會(huì)發(fā)現(xiàn)不僅電容兩邊延伸出去了良導(dǎo)體，而且電容另外兩邊短接在一起，所以只分析縫隙天線微元不足表現(xiàn)縫隙天線的電場(chǎng)電流分布情況。接下來我們從中間將縫隙天線分割成兩段呈U字形的凹槽，如圖3所示，前面講到波導(dǎo)內(nèi)壁表面兩點(diǎn)間的感應(yīng)電勢(shì)差，不僅存在于縫隙兩側(cè)，也存在于圖3凹槽底部靠近波導(dǎo)內(nèi)側(cè)的表面，可等效為一個(gè)感應(yīng)電壓源，其內(nèi)阻等于凹槽底部連接縫隙長(zhǎng)邊的這段金屬表面的電阻r。當(dāng)這個(gè)感應(yīng)電壓源接在縫隙長(zhǎng)邊上時(shí)，縫隙長(zhǎng)邊等效為電容極板，縫隙內(nèi)表面形成表面電流，此電流與將縫隙分成微元分析時(shí)形成的位移電流形成回路，所以縫隙內(nèi)表面電流i等于若干位移電流疊加在一起，距離縫隙中心越近，電流值越小，距離縫隙中心越遠(yuǎn)，電流值越大，在縫隙兩端、縫隙內(nèi)表面電流i值最大。由上述我們知道位移電流id與感應(yīng)電場(chǎng)變化規(guī)律，電流i與位移電流id的變化規(guī)律是一致的，i和id的相位相差90°。

圖3 縫隙兩端電流分布示意圖

最簡(jiǎn)單、最容易理解的天線是電偶極子天線，兩個(gè)四分之一波長(zhǎng)的導(dǎo)體中間接入激勵(lì)源，由于激勵(lì)源的存在，電子在激勵(lì)源的驅(qū)動(dòng)下從導(dǎo)體一端流向另一端做定向運(yùn)動(dòng)，如果激勵(lì)源輸入按正弦規(guī)律變化的電壓，電子將在導(dǎo)體內(nèi)做往返運(yùn)動(dòng)，正電荷和負(fù)電荷之間的電場(chǎng)隨著電子的運(yùn)動(dòng)不斷變化，持續(xù)向外輻射能量。導(dǎo)體之間存在位移電流，所以電流最大值在天線中間。天線輻射電磁場(chǎng)的頻率取決于電子在導(dǎo)體內(nèi)運(yùn)動(dòng)的周期?？p隙天線的電流跟電偶極子天線的規(guī)律是一樣的，同時(shí)邊緣效應(yīng)泄露出來的電場(chǎng)跟電偶極子天線上正負(fù)電荷之間電場(chǎng)規(guī)律是一樣的，所以縫隙天線具備了輻射電磁場(chǎng)的能力，E面方向圖取決于電場(chǎng)方向，即垂直于縫隙的方向。

當(dāng)縫隙開鑿方向平行于波導(dǎo)內(nèi)壁表面電流時(shí)，整個(gè)分析過程是一樣的，根據(jù)式（2）得出位移電流id遠(yuǎn)小于縫隙開鑿方向垂直于表面電流時(shí)的位移電流，所以此時(shí)縫隙的輻射能力遠(yuǎn)小于開鑿方向垂直于表面電流的縫隙的輻射能力。

在介紹縫隙天線原理的資料中，不少內(nèi)容將縫隙輻射電磁場(chǎng)的原因歸結(jié)于縫隙阻斷表面電流后，改變表面電流的流動(dòng)路徑導(dǎo)致縫隙能夠向外輻射電磁場(chǎng)，這種解釋不完全正確，表面電流分布在波導(dǎo)內(nèi)壁表面，表面電流路徑的改變并不具備突破波導(dǎo)壁向外輻射的能力。縫隙天線之所以可以向外輻射電磁場(chǎng)，原因是縫隙長(zhǎng)邊表面的傳導(dǎo)電流周期運(yùn)動(dòng)。

3 縫隙天線仿真

在HFSS軟件中建立標(biāo)準(zhǔn)矩形模型，在波導(dǎo)一個(gè)端口設(shè)置激勵(lì)條件，選擇波端口激勵(lì)，另一個(gè)端口設(shè)置邊界條件，選擇理想導(dǎo)體邊界[4]，選擇3 GHz作為縫隙天線的工作頻率，將求解頻率設(shè)置為3 GHz，最大迭代次數(shù)為20次，最大收斂精度選擇默認(rèn)的0.02，然后設(shè)置掃頻分析，掃頻類型選擇fast，起始頻率2 GHz，終止頻率4 GHz，步進(jìn)0.02 GHz。此時(shí)運(yùn)行仿真分析[5]。

經(jīng)過仿真計(jì)算，得到波導(dǎo)內(nèi)表面的電流分布情況，如圖4所示，選擇波導(dǎo)寬邊中間偏左的位置設(shè)置縫隙（黑色方框所在位置）。

圖4 波導(dǎo)內(nèi)表面電流分布示意圖

圖5 縫隙天線方向圖和S參數(shù)

在波導(dǎo)上開好縫隙之后，重新進(jìn)行仿真分析，通過HFSS軟件可以查看各種天線參數(shù)，如3D方向圖，E面方向圖，H面方向圖。在分析縫隙天線方向圖時(shí)，只分析上半部分。E面方向圖跟電偶極子天線的H面方向圖是一致的，H面方向圖跟電偶極子天線的E面方向圖是一致的。

結(jié)果顯示，縫隙天線的諧振頻率為2.82 GHz，未達(dá)到設(shè)定的目標(biāo)3 GHz，此時(shí)需要使用HFSS的優(yōu)化分析功能[5]。影響天線諧振頻率的因素之一是振子長(zhǎng)度，所以定義縫隙天線的長(zhǎng)度為變量L，L的范圍從40 mm到60 mm，步進(jìn)為5 mm，運(yùn)行優(yōu)化分析，得到不同振子長(zhǎng)度的S參數(shù)，從結(jié)果圖上可以看出，當(dāng)振子長(zhǎng)度為45 m m時(shí)縫隙天線諧振頻率為3.06 GHz，比較接近的目標(biāo)值，所以3 GHz的振子長(zhǎng)度在45 ～50 m m之間，當(dāng)然也可以將縫隙寬度W作為優(yōu)化分析的參數(shù)計(jì)算縫隙寬度對(duì)諧振頻率的影響。

4 結(jié)束語(yǔ)

前面討論了縫隙天線的原理和電場(chǎng)電流分布情況，給出了縫隙天線輻射電磁場(chǎng)的根本原因，然后通過HFSS仿真軟件對(duì)波導(dǎo)縫隙天線進(jìn)行了仿真分析，通過仿真分析結(jié)果驗(yàn)證了前面討論的縫隙天線原理?？p隙天線具有非常廣泛的使用場(chǎng)景，當(dāng)明白了縫隙天線的原理之后，我們?cè)O(shè)計(jì)縫隙天線時(shí)就能夠有的放矢，設(shè)計(jì)滿足需要的縫隙天線。利用切比雪夫分布、泰勒分布等理論，設(shè)計(jì)縫隙天線陣列，可有效增強(qiáng)縫隙天線的性能。

利用軟件進(jìn)行仿真具有巨大的便利性，可節(jié)省計(jì)算和設(shè)計(jì)時(shí)間，將煩瑣的計(jì)算交給計(jì)算機(jī)完成，使得我們能夠?qū)⒏嗟木Ψ旁谄渌?jì)算機(jī)完成不了的地方。但是我們也要意識(shí)到仿真軟件的局限性，例如，仿真軟件里建立的模型，并不能百分百還原真實(shí)物體的形狀、特性、質(zhì)地等，以及實(shí)物加工的尺寸精度、各部件的連接緊密度，導(dǎo)致在仿真過程中得到的是只考慮主要影響因素的理想結(jié)果。仿真的局限性不影響仿真分析本身的工具特性，借助仿真軟件驗(yàn)證分析過程是否正確，比制造出實(shí)物做實(shí)驗(yàn)便利很多，當(dāng)仿真結(jié)果比較理想時(shí)，我們可以做實(shí)物實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步驗(yàn)證理論?！?/p>