盡管縫隙天線的歷史可以追溯到二十世紀(jì)中葉，但它卻是近年來大量研究的主題，并且已成為緊湊型高頻無線設(shè)備設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵要素。

大多數(shù)人都將天線想象成這樣一種東西： 

● 屋頂上的金屬裝置

● 與衛(wèi)星通信的巨型天線

● 表面貼裝芯片天線

● PCB 走線

但事實(shí)證明，天線也可以是一種沒有東西的狀態(tài)：縫隙天線由通過從導(dǎo)電表面去除部分材料而產(chǎn)生的一個(gè)或多個(gè)孔徑組成。

縫隙天線的簡史

瀏覽研究相關(guān)文獻(xiàn)會(huì)讓人覺得縫隙天線是最近才出現(xiàn)的創(chuàng)新，與緊湊型高性能 RF 電路的普及有關(guān)；然而，縫隙天線的研發(fā)實(shí)際上始于二戰(zhàn)之前。與許多其他技術(shù)一樣，軍事敵對狀態(tài)有利于其發(fā)展，在這種情況下，因?yàn)榭p隙天線有潛力提高雷達(dá)系統(tǒng)的性能。 

縫隙天線技術(shù)長期以來一直與相對較高的頻率有關(guān)，但在早期，“相對較高”可能意味著數(shù)百兆赫茲，而針對該范圍的頻率的天線相當(dāng)大。這類天線更具體地稱為縫隙波導(dǎo)天線 (SWA)，即較大的導(dǎo)電物體作為波導(dǎo)，該物體中的孔徑根據(jù)波長確定大小，對整體結(jié)構(gòu)的輻射方式有很強(qiáng)的影響（圖 1）。

圖 1. 這是 SWA 的鋁制原型版本，旨在用作由導(dǎo)電體制成的可穿戴設(shè)備

SWA 仍然用于海上和機(jī)載雷達(dá)系統(tǒng)，相對于成本和復(fù)雜性提供了良好的性能。

隨著 20 世紀(jì)的繼續(xù)，科學(xué)家和工程師逐漸積累了大量關(guān)于縫隙天線設(shè)計(jì)、分析和實(shí)現(xiàn)的知識。在本文中，我們更感興趣的是縫隙天線技術(shù)，因?yàn)樗糜诘蛪?、小型電子設(shè)備。

縫隙天線的主要特性

縫隙天線在高頻應(yīng)用中很常見。早期的 SWA 被納入在低微波頻率下工作的雷達(dá)系統(tǒng)中，而最近涉及縫隙天線的研究正在探索 100 GHz 以上的應(yīng)用。上面提到的可穿戴天線專為 5.8 GHz ISM（工業(yè)、科學(xué)和醫(yī)療）頻段的物聯(lián)網(wǎng)式無線通信而設(shè)計(jì)，人們似乎對用于毫米波 5G設(shè)計(jì)的縫隙天線非常感興趣。

縫隙天線的性能取決于各種因素，例如幾何形狀以及縫隙是否具有后腔。但總體而言，縫隙天線對于高級 RF 設(shè)備很有吸引力，因?yàn)樗鼈兺ǔ？梢蕴峁?/p>

● 寬帶寬

● 效率高

● 多功能性

● 低成本

● 易于制造

● 低調(diào)外形

縫隙天線的電磁行為

理論上，基礎(chǔ)的縫隙天線只是導(dǎo)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兩側(cè)，電流將圍繞周邊流動(dòng)，并且該結(jié)構(gòu)將輻射電磁波。

空曠的空間可以充當(dāng)高性能天線的想法是違反直覺的，你可能會(huì)發(fā)現(xiàn)調(diào)用巴比涅原理會(huì)有所幫助，然后將縫隙天線想象成稱為偶極子的基本天線配置的“對偶”。

巴比涅原理實(shí)際上源自光學(xué)，其內(nèi)容如下：

巴比涅原理，也譯作巴俾涅原理，指在點(diǎn)光源照射下，一個(gè)不透光物體產(chǎn)生的衍射圖樣和一個(gè)帶有與該物體形狀、大小完全相同的孔的衍射屏產(chǎn)生的衍射圖樣完全相同。 巴比涅原理大多用在光學(xué)，但它對其它形式的電磁輻射也是正確的。事實(shí)上，它是所有波衍射的一般原理，都是正確的。巴比涅原理的最常用地方是它能覺察尺寸和形狀的等價(jià)。

亨利·布克 (Henry Booker) 將這一概念擴(kuò)展到電磁領(lǐng)域，當(dāng)將巴比涅-布克原理應(yīng)用于縫隙天線時(shí)，它表明我們可以創(chuàng)建一個(gè)互補(bǔ)的導(dǎo)電模式并期望類似的輻射行為。圖 2 顯示了一個(gè)例子。

圖 2. 導(dǎo)電平面中間的槽 (a) 和饋入偶極天線的示例信號 (b)

上圖取自桑迪亞國家實(shí)驗(yàn)室研究員John Borchardt 的一篇論文。圖 2(a) 顯示了導(dǎo)電平面中間的縫隙，圖 2(b) 中，信號被饋送到偶極天線，其導(dǎo)電部分與孔徑的幾何形狀相對應(yīng)。Borchardt 使用偶極子原理來計(jì)算縫隙的阻抗。

除槽型天線行為的概念外，圖 3 還提供了另一個(gè)示例，這次來自Alan Sangster 的《緊湊型槽天線的演變》 。

圖 3. 縫隙天線行為圖示例

在這種情況下，縫隙天線概念可應(yīng)用在帶有孔徑的微帶傳輸線中。需要注意方向，縫隙位于微帶正上方并垂直于微帶，其方向可以中斷電流。這種中斷會(huì)導(dǎo)致電容效應(yīng)和電感效應(yīng)，當(dāng)縫隙的幾何形狀（相對于信號波長）有利于電感-電容諧振時(shí)，傳輸線可用作有效輻射器。

縫隙天線——新設(shè)計(jì)的舊技術(shù)

縫隙天線代表了相當(dāng)古老的技術(shù)，但在 5G 和 IoT 時(shí)代，它獲得了新的意義和新的設(shè)計(jì)技術(shù)。