电子产品世界

了解缝隙天线，即其历史、特性和低电压、小尺寸电子设备的电磁（EM）行为。

尽管缝隙天线可以追溯到20世纪中叶，但它们仍是最近许多研究的主题，并已成为设计紧凑、高频无线设备的关键元素。

我认为，我们大多数人都把天线想象成一种东西，无论它是：

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迹线

然而，事实证明，天线也可能是一件东西的缺失；缝隙天线由通过从导电表面去除材料而产生的一个或多个孔隙组成。

缝隙天线简史

浏览研究文献会给人一种印象，即缝隙天线是最近的一项创新，与紧凑、高性能RF电路的激增有关；然而，缝隙天线的研发实际上始于第二次世界大战之前。与许多其他技术一样，在这种情况下，军事敌对行动有利于进步，因为缝隙天线有可能提高雷达系统的性能。

长期以来，缝隙天线技术一直与相对较高的频率有关，但在早期，“相对较高”可能意味着数百兆赫，而针对该范围内的频率进行优化的天线相当大。这些类型的天线更具体地称为缝隙波导天线（SWA），这是指波导是一个更大的导电物体，而该物体中根据波长大小的孔径会强烈影响整个结构的辐射方式（图1）。

这是SWA的铝制原型，旨在用作导电织物制成的可穿戴设备。

图1。这是SWA的铝制原型，旨在用作导电织物制成的可穿戴设备。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而言提供了良好的性能。

随着20世纪的推进，科学家和工程师逐渐积累了大量关于缝隙天线的设计、分析和实现的知识。在这篇文章中，我们对缝隙天线技术更感兴趣，因为它被用于低电压、小尺寸的电子设备。

缝隙天线关键特性

缝隙天线在高频应用中很常见。早期的SWA被纳入在低微波频率下工作的雷达系统，最近涉及缝隙天线的研究正在探索100 GHz以上的应用。上述可穿戴天线是为5.8 GHz ISM（工业、科学和医疗）频带中的物联网式无线通信而设计的，并且似乎对毫米波5G设计中使用的缝隙天线非常感兴趣。

缝隙天线的性能取决于各种因素，如几何形状和缝隙是否有后腔。不过，一般来说，缝隙天线对高级RF设备很有吸引力，因为它们通常可以提供：

宽带宽

效率高

多才多艺

低成本

易于制造

外形小巧

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上的一个矩形孔径。如果将RF（射频）电压信号施加到孔径的相对侧，则电流将围绕周边流动，并且结构将辐射。

将空置空间用作高性能天线的想法是违反直觉的，你可能会发现援引巴比内特的原理，然后将缝隙天线想象为称为偶极子的基本天线配置的“对偶”是有帮助的。请注意，如果您不熟悉偶极天线，您可以在Mark Hughes的这篇优秀文章中了解它们。

巴比内特的原理实际上取自光学，它陈述了以下内容：

“通过屏幕传输的波……加上通过互补屏幕传输的波加起来，就好像没有屏幕一样。”

-巴比内特电磁场原理

Henry Booker将这一概念扩展到了电磁领域，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图案，并期望类似的辐射行为。图2显示了一个例子。

导电平面（a）中间的缝隙和馈送到偶极天线（b）中的示例信号。

图2:导电平面（a）中间的缝隙和馈送到偶极天线（b）中的示例信号。图片由John Borchardt提供

上图取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缝隙，在图2（b）中，信号被馈送到偶极天线中，偶极天线的导电部分对应于孔径的几何形状。Borchardt使用偶极子版本来计算缝隙版本的阻抗。

除了缝隙天线行为的概念外，图3还提供了另一个例子，这一次来自Alan Sangster的《紧凑型缝隙天线的演变》。

图3。示例缝隙天线行为图。这张照片是参照Alan Sangster重新绘制的，并由其提供

在这种情况下，缝隙天线被实现为微带传输线中的孔径。注意方向，其中缝隙直接位于微带上方并垂直于微带，其方向是为了破坏电流。这种破坏导致电容和电感效应，并且当缝隙的几何形状（相对于信号波长）有利于电感电容谐振时，传输线起到有效辐射器的作用。

缝隙天线——以旧换新

缝隙天线代表了相当古老的技术，在5G和物联网时代获得了新的相关性和新的设计技术。虽然关于缝隙天线还有很多话要说，但我希望这篇文章能为你的进一步研究打下坚实的基础。

关键词： 缝隙天线