波导缝隙天线（二）[搬运]

接上篇，本文进一步介绍波导缝隙天线的知识。搬运自https://www.antenna-theory.com。英语够用的朋友可以直接移步。感谢网站创始人Peter Joseph Bevelacqua教授的无私奉献。

——————————————我是分隔线——————————————

最常见的波导缝隙天线如图所示：

x-z平面中y = 0处是天线的馈电位置。远端通常短路（用金属封闭）。波导可以通过短偶极子激发，也可以通过另一个波导激发。

为了开始分析上图的天线，我们先来看一下电路模型。波导可以看成是传输线，将波导中的缝隙可以视为并联导纳。波导的末端短路，因此上图粗略的电路模型为：
最后一个缝隙距末端（末端短路，如上图所示）的距离为d，并且缝隙之间的距离为L。

在我们讨论尺寸选择之前，这两个参数的大小将根据波导中的波长来给出。波导波长（λg）是波导（a）的宽度和自由空间波长的函数。对TE01主模，波导波长由下式给出：最后一个缝隙与末端d之间的距离通常选择为四分之一波长。传输线理论指出，四分之一波长短路线可以看成开路。因此，电路模型可以简化为：

如果将参数L设为半波长，则在半波长处观察到的Z欧姆的输入阻抗为Z欧姆（λ/2不变性）。由于这个原因，L被设计为大约一半的波长。如果以这种方式设计波导缝隙天线，则可以将所有缝隙视为平行。因此，可以快速计算N元缝隙阵列的输入导纳和输入阻抗：

波导的输入阻抗是缝隙阻抗的函数。

请注意，以上设计参数仅在点频条件下有效。当频率偏离了设计频率时，天线的性能将会下降。为了给出缝隙波导的频率特性的概念，我们将S11作为频率函数的样本测量值，即用S11来反映其频率特性。如下图所示的波导被设计为在10 GHz下工作，它由底部的同轴线馈电。

下图显示了所得的S参数图。

可以看到，天线的S11在10 GHz附近有很大的衰减。这表明大部分功率都在该频率被辐射出去。天线的带宽（如果定义为S11小于-6 dB），则从9.7 GHz扩展到10.5 GHz），相对带宽为8％。注意在大约6.7和9.2 GHz处也会产生谐振。低于6.5 GHz，波导低于截止频率，并且没有辐射能量。上面显示的S参数图很好地说明了缝隙波导的带宽和频率特性如何。

下图显示了缝隙波导的3D辐射方向图（使用称为FEKO的数字电磁程序包计算得出）。天线增益约为17 dB。

可以看到，在x-z平面（或h面）中，波束宽度非常窄（2-5度）。在y-z平面（或e面）中，波束宽度要大得多。

这个特性是不理想的，之所以会这样是因为沿着E平面的物理尺寸比沿着H平面的物理尺寸要短得多（缝隙很长但也很细）。通常，较长的天线（或较长的阵列）会产生较窄的波束。

可以通过并行布置缝隙波导来解决此问题，如下图所示。

通过并联波导，可以大大减小E平面的波束宽度。另外，通过向每个波导添加相位延迟，可以在E平面中操纵波导阵列（请参阅相控阵基础知识），还可以通过改变线长来改变相位延迟（然后，不同的频率将产生不同的相位延迟，从而只需改变频率即可进行扫描）。

由上百个甚至上千个单元组成的天线阵列通常是与上述类似的缝隙波导。这些天线通常是窄带的（与设计频率的微小偏差会改变每个缝隙的阻抗，这些偏差加起来会产生很高的电抗性阻抗）。例如，考虑波音的楔尾：

虽然我不确定，但我猜想上面飞机顶部的长相奇怪的外壁上有一个大的缝隙波导阵列，用于在飞机周围的水平（方位面）平面中进行扫描。

缝隙波导的功率处理能力

缝隙波导之所以经常被使用，是因为它们能够传输高功率电平。为了介绍一下它们的能力（并介绍实际应用中功率处理能力与高度之间的限制），我将介绍Gilden和Gould的《波导系统高功率能力手册》中的简短表格。

最大功率在表I中显示。最大功率是高度的函数，并且将被进一步分为连续波和1微秒脉冲。当阵列以兆瓦[MW]连续发射时，连续波列给出了缝隙波导的最大功率处理能力。当波导辐射短暂的脉冲然后关闭时，脉冲列给出了其最大功率。注意，波导的功率处理能力随高度（以英尺为单位）降低。针对典型的X波段（10 GHz）波导给出了结果；请注意，功率能力会随着频率的降低而增加，反之亦然。

请注意，功率会随着高度的增加而迅速减小。这是在设计飞机雷达时必须要牢记的。

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