近年来随着无线通信技术的快速发展，人们对于通信带宽的需求也逐步提高，因此为了应对新型高速通信的应用场景，通信技术正向更高的频段扩展。

W波段(75G-110GHz)是毫米波和太赫兹频谱中重要电磁波窗口频段，因其具有相对带宽大、波长短、抗干扰能力较强等可解决通信系统中存在诸多难题的特点，受到业内的广泛关注。

在飞行器导航过程中，往往要求雷达可以同时准确地确定飞行器相对于地面的速度、方向和其位置，实现飞行器偏流角的测量并进行姿态修正。

为了同时获得较高的测速、测高和偏流角精度，飞行器的雷达天线须具有高增益、窄波束、大带宽、定向辐射的多波束，以及满足小型化与高稳定的特性。

由于W波段双波束平面波导缝隙天线可以满足以上系统测量要求，因而对于它的研究具有非常重要的工程实用价值。

 

波导缝隙天线的研究

随着电子计算机技术的发展，有限元法(FEM)，矩量法(MOM)，时域有限差分法(FDTD)等逐步被许多学者所熟知并得到广泛的使用。

美国学者在1974年采用矩量法建立了波导宽边纵向缝隙与缝隙谐振长度之间的关系。从1978年至1988年发表的三篇著名论文推动了波导缝隙天线设计里程碑式发展。

1981年，英国学者在前人设计的基础上，将波导壁厚等因素考虑其中，建立了半自由空间下缝隙波导腔体的格林函数，并借助矩量法得到了缝隙间的耦合方程。

同年，证明了采用机械加工W波段宽边交替纵缝、窄边斜缝、长可变偏置槽三类波导缝隙天线的可能性。

 

研制一种应用于汽车雷达的毫米波波导缝隙阵列天线，该天线为加载窄壁槽和单层交相馈电电路组成的开槽波导平面天线。

此外，在开槽波导前还加入了高度为Hp的矩形金属柱，以此增强波导内磁场耦合，增大缝隙周边的辐射强度。

经过实测，该天线在76GHz 频点增益为33.2dBi，回波损耗为-22dB天线副瓣电平为-16.8dB，效率为56%。如图3。

 

2009年，采用层压薄板扩散键合的方法制作了一款94GHz单层开槽波导阵列天线。

该天线材料为铜，厚度为0.3mm，采用18x18阵列分布，整体尺其馈电波导采用标准WR-10，通过底部法兰孔传输至T型波导内，小为 60mmx55mm，实现驻波耦合的形式对各个阵列进行分别馈电。

经过实测，该天线在93.7GHz 频点增益为31.4dBi，天线效率达到60%。该工艺可实现天线与波导之间良好的装配，但在天线键合时存在的加工误差，仍会带来降低孔径效率的弊端。图4。

 

我国研发了一款带4x4 Butler的W波段多波束芯片集成(SIW) 波导缝隙阵列天线。

该天线采4x16的阵列分布，馈电网络采用与天线阵面共面的4x4巴伦矩阵，耦合器与移相器亦基于rogers5880设计的SIW波导。

经过实测，由1、2、3、4端口的输入信号在94GHz频点增益可分别达20.1dBi、17.8dBi、18.2dBi、19.5dBi。图5。

 

2020年学者提出了一种W波段高增益大型SIW波导缝隙阵列。该天线由一个紧凑的16路功率分配器和一个32x33插槽阵列组成，底层PCB的16路功分器为顶层PCB的32个SIW波导提供等幅和交替相激励，每个SIW波导槽列有33个辐射单元。

在93.2GHz频点，该天线测量的峰值增益、辐射效率和孔径效率分别为30.88dBi、42%和 22.8%。图6和图7。

 

 

矩形波导缝隙的等效电路

矩形波导作为一种传输线，由四面金属围成，它具有传输功率容量大、损耗小等特点，其结构示意图如图8(左)所示，长边与宽边尺寸分别为a、b。波导仅能传输横电波(TE波)和横磁波(TM波)。

 

矩形波导主模TE10的场分量可表达为：

 

矩形波导TEmn模的截止波长为：

 

在矩形波导TE10模时，m=1，n=0，可得TE10模的截止波长，矩形波导缝隙天线主要工作在TE10模的原因大致有以下几个方面：

（1）在主模工作状态下，波导内场结构较简单，便于场内激励与耦合的计算。

（2）在相同的频率下，TE10模所需要的波导尺寸更小。

（3）在单模工作状态下，天线的工作带宽最宽。

对于缝隙a，在波导宽边开横向缝隙，此时切断波导表面纵向电流，形成电压突变故可等效为传输线上串联阻抗。如图11。

 

对于缝隙b，在波导宽边中心一侧开纵向缝隙，此时切断波导表面横向电流，形成电流突变，故可等效为传输线上并联导纳。

对于缝隙c（x1处），在波导宽边中心一侧开斜向缝隙，等效为波导宽边中心一侧开纵缝与波导宽边开横缝的组合，此时缝隙不仅切断波导表面横向电流也切断了纵向电流，故该缝隙可等效为传输线上并联导纳与串联阻抗的组合。

当缝隙c中心位于波导宽边中线时，可等效为缝隙a与g组合(无辐射)。在实际工程应用中，这类缝隙往往应用于波导馈线的耦合馈电，馈电耦合量的大小与旋转角度成正相关。

对于缝隙e（w处），在波导窄边一侧开斜向缝隙，此时切断波导表面窄边横向电流，形成电流突变，故可等效为传输线上并联导纳。

 

综上可以得出，波导缝隙处位移电流大小受2个因素影响。

一是缝隙切割电流线的密度。当缝隙b偏移量增大时，位移电流产生辐射激励也就越大。

二是缝隙与波导轴的夹角。当缝隙e与波导轴的夹角越大时，缝隙产生的激励强度也增大。根据前人经验在波导缝隙阵列天线设计中，通常采用宽边纵缝或窄边斜缝作为天线的辐射单元，宽边斜缝为馈电耦合单元。

 

矩形波导缝隙的归一化导纳与阻抗

为了获得较好的天线方向图与较低的副瓣电平特性，需要计算波导阵元缝隙各个单元的偏移量、缝隙长度、缝隙宽度、缝隙偏转角等各个数值对应的导纳与阻抗归一化参数。

当电磁波从馈电端口沿Z轴正方向射入，一部分的电磁波从缝隙处辐射出去另一部分电磁波以散射波的形式从Z轴反方向反射回来。

可以根据功率方程与测量反射回来的散射波场强求出缝隙的等效导纳与等效阻抗的值。

当在波导宽边切纵向缝隙，有特性导纳Y0，缝隙等效电导G0，对其电导归一化为：

 

式中 Pi为波端口入射功率，Ps为天线辐射功率。

当缝隙中心位于波导中心时，即x1=0，电导值为零，此时缝隙处于不辐射状态。

 

上图理论公式虽然能给出一个较精确的结果，但是仍需要满足一定的条件：

（1）缝隙为窄缝(经验：缝隙宽度/缝隙长度<0.1~0.2)；

（2）波导壁为理想导体且无限薄；

（3）矩形波导内只传输主模；

（4）电场在缝隙纵向方向近似于半个正弦函数分布(缝隙约为半波长)；

（5）波导缝隙之间为弱耦合。

基于工程应用的需要，应用变分法推导出任意波导壁厚下宽边纵缝的导纳与阻抗。在Oliner 的研究基础上，引入了波导缝隙口径导纳概念采用矩量法建立了波导宽边纵向缝隙与缝隙谐振长度之间的关系。

 

矩形波导天线分类

单个天线无论是方向性，还是增益都是极其有限的。为了适应各种不同的应用需研究人员将多个单天线通过不同的形式组合成多样的阵列天线。波导缝隙阵列天求，线就是其中一种。

按照缝隙间距的不同，可以将波导缝隙阵列天线分成驻波阵和行波阵，两者又或称为谐振式阵列和非谐振式阵列。

 

1.驻波阵(谐振式)

驻波阵通常分中间馈电和两端馈电两种形式，阵列的终端一般需要预留长度作为短路面调节。驻波阵的各单元间距为半个波导波长，此时波导内电场分布呈驻波状态，各缝隙受驻波激励辐射。

由于波导中线附近电流呈相反状态，驻波阵列分布使相邻阵元之间相位又恰好相差180°，此外，四分之一波导波长的终端短路又可以保证波腹处的电压始终为驻波状态。

因此，驻波阵列中的每个缝隙都能实现驻波同相激励，最大辐射方向为天线平面的法线方向。

 

又因为驻波阵中各缝隙间距等于半波导波长，阵列终端产生的反射波将会又与入射波进行叠加，因此，驻波天线的效率较高。

但频率的改变所带来波导波长的变化使得该天线必然产生谐振失真，这将使每个缝隙实现驻波同相馈电被打破，从而影响整个天线的各方面的性能。

2.行波阵(非谐振式)

行波阵列天线单元由行波激励，缝隙单元间距为固定值，所以天线波束的最大辐射方向不在天线阵面的法线方向，而是与阵列平面呈一定的夹角，如图19所示。

 

由于阵列缝隙各单元间距，行波阵列终端产生的反射波在向馈电端传输过程中会对入射波有抵消干扰效果，所以行波天线末端往往要增加匹配负载，吸收波导中未被辐射掉的部分能量。

因此，行波阵列虽然天线带宽较宽，但效率比驻波天线低。