縫隙天線簡介

了解縫隙天線，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、高頻無線設備的關鍵元素。

我認為，我們大多數人都把天線想象成一種東西，無論它是：

屋頂上的金屬裝置

與衛星通信的巨大碟形天線

表面貼裝芯片天線

PCB跡線

然而，事實證明，天線也可能是一件東西的缺失；縫隙天線由通過從導電表面去除材料而產生的一個或多個孔隙組成。

縫隙天線簡史

瀏覽研究文獻會給人一種印象，即縫隙天線是最近的一項創新，與緊湊、高性能RF電路的激增有關；然而，縫隙天線的研發實際上始于第二次世界大戰之前。與許多其他技術一樣，在這種情況下，軍事敵對行動有利于進步，因為縫隙天線有可能提高雷達系統的性能。

長期以來，縫隙天線技術一直與相對較高的頻率有關，但在早期，“相對較高”可能意味著數百兆赫，而針對該范圍內的頻率進行優化的天線相當大。這些類型的天線更具體地稱為縫隙波導天線（SWA），這是指波導是一個更大的導電物體，而該物體中根據波長大小的孔徑會強烈影響整個結構的輻射方式（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20世紀的推進，科學家和工程師逐漸積累了大量關于縫隙天線的設計、分析和實現的知識。在這篇文章中，我們對縫隙天線技術更感興趣，因為它被用于低電壓、小尺寸的電子設備。

縫隙天線關鍵特性

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

縫隙天線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，一般來說，縫隙天線對高級RF設備很有吸引力，因為它們通常可以提供：

寬帶寬

效率高

多才多藝

低成本

易于制造

外形小巧

縫隙天線的電磁行為

理論上，基本的縫隙天線只是導電平面上的一個矩形孔徑。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，并且結構將輻射。

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

巴比內特的原理實際上取自光學，它陳述了以下內容：

“通過屏幕傳輸的波……加上通過互補屏幕傳輸的波加起來，就好像沒有屏幕一樣。”

-巴比內特電磁場原理

Henry Booker將這一概念擴展到了電磁領域，當Babinet–Booker原理應用于縫隙天線時，它表明我們可以創建互補的導電圖案，并期望類似的輻射行為。圖2顯示了一個例子。

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

上圖取自桑迪亞國家實驗室研究員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中，偶極天線的導電部分對應于孔徑的幾何形狀。Borchardt使用偶極子版本來計算縫隙版本的阻抗。

除了縫隙天線行為的概念外，圖3還提供了另一個例子，這一次來自Alan Sangster的《緊湊型縫隙天線的演變》。

圖3。示例縫隙天線行為圖。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，縫隙天線被實現為微帶傳輸線中的孔徑。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）有利于電感電容諧振時，傳輸線起到有效輻射器的作用。

縫隙天線——以舊換新

縫隙天線代表了相當古老的技術，在5G和物聯網時代獲得了新的相關性和新的設計技術。雖然關于縫隙天線還有很多話要說，但我希望這篇文章能為你的進一步研究打下堅實的基礎。