縫隙天線(xiàn)簡(jiǎn)介

了解縫隙天線(xiàn)，即其歷史、特性和低電壓、小尺寸電子設備的電磁（EM）行為。

盡管縫隙天線(xiàn)可以追溯到20世紀中葉，但它們仍是最近許多研究的主題，并已成為設計緊湊、高頻無(wú)線(xiàn)設備的關(guān)鍵元素。

我認為，我們大多數人都把天線(xiàn)想象成一種東西，無(wú)論它是：

屋頂上的金屬裝置

與衛星通信的巨大碟形天線(xiàn)

表面貼裝芯片天線(xiàn)

PCB跡線(xiàn)

然而，事實(shí)證明，天線(xiàn)也可能是一件東西的缺失；縫隙天線(xiàn)由通過(guò)從導電表面去除材料而產(chǎn)生的一個(gè)或多個(gè)孔隙組成。

縫隙天線(xiàn)簡(jiǎn)史

瀏覽研究文獻會(huì )給人一種印象，即縫隙天線(xiàn)是最近的一項創(chuàng )新，與緊湊、高性能RF電路的激增有關(guān)；然而，縫隙天線(xiàn)的研發(fā)實(shí)際上始于第二次世界大戰之前。與許多其他技術(shù)一樣，在這種情況下，軍事敵對行動(dòng)有利于進(jìn)步，因為縫隙天線(xiàn)有可能提高雷達系統的性能。

長(cháng)期以來(lái)，縫隙天線(xiàn)技術(shù)一直與相對較高的頻率有關(guān)，但在早期，“相對較高”可能意味著(zhù)數百兆赫，而針對該范圍內的頻率進(jìn)行優(yōu)化的天線(xiàn)相當大。這些類(lèi)型的天線(xiàn)更具體地稱(chēng)為縫隙波導天線(xiàn)（SWA），這是指波導是一個(gè)更大的導電物體，而該物體中根據波長(cháng)大小的孔徑會(huì )強烈影響整個(gè)結構的輻射方式（圖1）。

這是SWA的鋁制原型，旨在用作導電織物制成的可穿戴設備。

圖1。這是SWA的鋁制原型，旨在用作導電織物制成的可穿戴設備。圖片由Mikuli?等人提供

SWA仍在海上和機載雷達系統中使用，相對于成本和復雜性而言提供了良好的性能。

隨著(zhù)20世紀的推進(jìn)，科學(xué)家和工程師逐漸積累了大量關(guān)于縫隙天線(xiàn)的設計、分析和實(shí)現的知識。在這篇文章中，我們對縫隙天線(xiàn)技術(shù)更感興趣，因為它被用于低電壓、小尺寸的電子設備。

縫隙天線(xiàn)關(guān)鍵特性

縫隙天線(xiàn)在高頻應用中很常見(jiàn)。早期的SWA被納入在低微波頻率下工作的雷達系統，最近涉及縫隙天線(xiàn)的研究正在探索100 GHz以上的應用。上述可穿戴天線(xiàn)是為5.8 GHz ISM（工業(yè)、科學(xué)和醫療）頻帶中的物聯(lián)網(wǎng)式無(wú)線(xiàn)通信而設計的，并且似乎對毫米波5G設計中使用的縫隙天線(xiàn)非常感興趣。

縫隙天線(xiàn)的性能取決于各種因素，如幾何形狀和縫隙是否有后腔。不過(guò)，一般來(lái)說(shuō)，縫隙天線(xiàn)對高級RF設備很有吸引力，因為它們通?？梢蕴峁?/p>

寬帶寬

效率高

多才多藝

低成本

易于制造

外形小巧

縫隙天線(xiàn)的電磁行為

理論上，基本的縫隙天線(xiàn)只是導電平面上的一個(gè)矩形孔徑。如果將RF（射頻）電壓信號施加到孔徑的相對側，則電流將圍繞周邊流動(dòng)，并且結構將輻射。

將空置空間用作高性能天線(xiàn)的想法是違反直覺(jué)的，你可能會(huì )發(fā)現援引巴比內特的原理，然后將縫隙天線(xiàn)想象為稱(chēng)為偶極子的基本天線(xiàn)配置的“對偶”是有幫助的。請注意，如果您不熟悉偶極天線(xiàn)，您可以在Mark Hughes的這篇優(yōu)秀文章中了解它們。

巴比內特的原理實(shí)際上取自光學(xué)，它陳述了以下內容：

“通過(guò)屏幕傳輸的波……加上通過(guò)互補屏幕傳輸的波加起來(lái)，就好像沒(méi)有屏幕一樣?！?/p>

-巴比內特電磁場(chǎng)原理

Henry Booker將這一概念擴展到了電磁領(lǐng)域，當Babinet–Booker原理應用于縫隙天線(xiàn)時(shí)，它表明我們可以創(chuàng )建互補的導電圖案，并期望類(lèi)似的輻射行為。圖2顯示了一個(gè)例子。

導電平面（a）中間的縫隙和饋送到偶極天線(xiàn)（b）中的示例信號。

圖2:導電平面（a）中間的縫隙和饋送到偶極天線(xiàn)（b）中的示例信號。圖片由John Borchardt提供

上圖取自桑迪亞國家實(shí)驗室研究員John Borchardt的一篇論文。圖2（a）顯示了導電平面中間的縫隙，在圖2（b）中，信號被饋送到偶極天線(xiàn)中，偶極天線(xiàn)的導電部分對應于孔徑的幾何形狀。Borchardt使用偶極子版本來(lái)計算縫隙版本的阻抗。

除了縫隙天線(xiàn)行為的概念外，圖3還提供了另一個(gè)例子，這一次來(lái)自Alan Sangster的《緊湊型縫隙天線(xiàn)的演變》。

圖3。示例縫隙天線(xiàn)行為圖。這張照片是參照Alan Sangster重新繪制的，并由其提供

在這種情況下，縫隙天線(xiàn)被實(shí)現為微帶傳輸線(xiàn)中的孔徑。注意方向，其中縫隙直接位于微帶上方并垂直于微帶，其方向是為了破壞電流。這種破壞導致電容和電感效應，并且當縫隙的幾何形狀（相對于信號波長(cháng)）有利于電感電容諧振時(shí)，傳輸線(xiàn)起到有效輻射器的作用。

縫隙天線(xiàn)——以舊換新

縫隙天線(xiàn)代表了相當古老的技術(shù)，在5G和物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代獲得了新的相關(guān)性和新的設計技術(shù)。雖然關(guān)于縫隙天線(xiàn)還有很多話(huà)要說(shuō)，但我希望這篇文章能為你的進(jìn)一步研究打下堅實(shí)的基礎。