缝隙天线简介

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尽管缝隙天线的历史可以追溯到 20 世纪中叶，但它是最近许多研究的主题，并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一个东西，可以是：

• 屋顶上的金属装置

• 与卫星通信的巨大碟形天线

• 表面贴装芯片天线

• PCB走线

但事实证明，天线也可以由某物体的部分缺失来构成；缝隙天线就是由一个或多个通过从导电表面去除材料而形成的孔径组成。缝隙天线也称为开槽天线，是指在导体面上开缝形成的天线。典型的缝隙形状是长条形的，长度约为半个波长。缝隙可用跨接在它窄边上的传输线馈电，也可由波导或谐振腔馈电。这时，缝隙上激励有射频电磁场，并向空间辐射电磁波。

缝隙天线及简史

浏览研究文献给人的印象是，是最近的创新，与紧凑的高性能射频（RF）电路的普及有关；然而，缝隙天线的研发实际上在二战前就开始了。与其他许多技术一样，军事敌对行动有利于技术进步，在这种情况下，因为缝隙天线有可能提高雷达系统的性能。

缝隙天线技术长期以来一直与较高的频率相关联，但在早期，“较高”可能意味着数百兆赫兹，并且针对该范围内的频率优化的天线相当大。这些类型的天线更具体地称为开槽波导天线 (SWA)，当一个更大的导电物体是波导时，该物体中的孔径根据波长大小，极大地影响了整体结构的辐射方式(图1)。

图1. 这是一个铝制原型版本的SWA，打算作为导电织物制成的可穿戴设备使用。图片由Mikulić等人提供。

SWA 仍在海上和机载雷达系统中使用，相对于成本和复杂性提供了良好的性能。

随着时间推移，科学家和工程师逐渐积累了大量关于缝隙天线设计、分析和实施的知识。在本文中，我们更感兴趣的是缝隙天线技术，因为它可用于低电压、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 被整合到以低微波频率运行的雷达系统中，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 设计的缝隙天线很感兴趣。

缝隙天线的性能取决于多种因素，例如几何形状和缝隙是否有后腔。不过，总的来说，缝隙天线对先进的射频设备很有吸引力，因为它们通常可以提供：

• 更宽的带宽

• 良好的效率

• 多功能性

• 低成本

• 易于制造

• 扁平的外形设计

缝隙天线的电磁行为

理论上，基本的缝隙天线只是导电平面中的矩形孔。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，这种结构将会产生辐射。

将空空间作为高性能天线的想法是违反直觉的，你可能会发现，调用Babinet原理，然后将槽天线想象为被称为偶极子的基本天线配置的“对偶”是有帮助的。

Babinet 的原理实际上取自光学，它陈述如下：

“通过屏幕传输的波的总和。. . 再加上通过互补屏幕传输的波，其总和与不存在屏幕的情况相同。" -Babinet 的电磁场原理

这个概念被 Henry Booker 扩展到电磁领域，当 Babinet-Booker 原理应用于缝隙天线时，它表明我们可以创建互补的导电模式并期望类似的辐射行为。图 2 显示了一个示例。

图 2. 导电平面中间的槽 (a) 和馈入偶极天线的示例信号 (b)。图片由John Borchardt提供

上图摘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槽，在图 2(b) 中，信号被馈送到偶极天线，其导电部分对应于孔径的几何形状。Borchardt 使用偶极版本来计算槽版本的阻抗。

除了缝隙天线行为的概念之外，图 3 提供了另一个示例，来自Alan Sangster 的紧凑缝隙天线的演变。

图 3. 示例缝隙天线行为图。

在这种情况下，缝隙天线被实现为微带传输线中的孔径。请注意方向，其中槽位于微带正上方并垂直于微带的方向，以干扰电流。这种破坏会导致电容和电感效应，并且当槽的几何形状（相对于信号波长）有利于电感-电容谐振时，传输线会起到有效辐射器的作用。

缝隙天线——旧技术用于新设计

缝隙天线代表相当古老的技术，在 5G 和物联网时代获得了新的相关性和新的设计技术。尽管关于缝隙天线还有很多内容可以说，但我们希望本文能为您的进一步研究打下坚实的基础。

来源：EETOP编译自allaboutcircuits

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