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淺談陣列天線及布陣

2022-01-12 來源：微波射頻網(wǎng) 作者：94巨蟹座少年字號(hào)：大中小

學(xué)個(gè)Antenna是以天線仿真和調(diào)試為主，理論原理為輔的干貨天線技術(shù)專欄，包括天線入門知識(shí)以及各類天線的原理簡(jiǎn)介、仿真軟件建模、設(shè)計(jì)、調(diào)試過程及思路。如有想看到的內(nèi)容或技術(shù)問題，可以在文尾寫下留言。

摘要：

在實(shí)際生活中，大家所用的終端一般搭載單天線或者M(jìn)IMO天線，其增益不高且單天線輻射方向圖的3dB波束寬度都比較寬。在很多長(zhǎng)距離通信的需求中，需要有強(qiáng)定向性天線(比如基站天線等)來彌補(bǔ)空間衰減。

本文使用的軟件為CST2018和AnsysEM 18.2

定向天線

在學(xué)個(gè)Antenna專欄里，一開始介紹的就是全向性的振子天線(從電磁波產(chǎn)生到對(duì)稱振子天線)。這種天線的好處就是能實(shí)現(xiàn)水平方向全覆蓋，但由于其增益不高，通信范圍就很局限；而且實(shí)際使用的時(shí)候，全向天線需要更大的凈空區(qū)域。

·假設(shè)黑暗不可視環(huán)境下，一個(gè)手電筒的功率是3W，亮域很小，但很亮，黑暗中的一束光；一個(gè)常見燈泡的功率選取一個(gè)60W，360°亮域很廣，但相對(duì)而言，亮度較弱。燈泡功率是手電筒的20倍，但照亮視線內(nèi)的某個(gè)不定項(xiàng)，手電筒項(xiàng)下雖然看不見光域外，但勢(shì)必比燈泡適用。二者有失有得，手電筒類比定向天線，燈泡類比全向天線。

相較而言，定向天線的輻射能量更集中，增益相對(duì)全向天線要高，更適合于遠(yuǎn)距離的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信。給偶極振子增加一個(gè)無源反射器和若干個(gè)無源引向器平行排列，其就構(gòu)成了方向圖具有定向性的端射式天線——八木天線，在HF、VHF以及UHF波段應(yīng)用廣泛。

如下圖所示，激勵(lì)半波振子，其H面方向圖為一個(gè)圓，說明其輻射能量在水平面可實(shí)現(xiàn)360°覆蓋，無方向性。但加上一根或幾根無源振子并排放置后，其H面內(nèi)的方向圖將變得有方向性。

一般而言，引向器數(shù)目愈多，引向能力愈強(qiáng)，但其并非線性關(guān)系，因?yàn)檫吘壐饕蚱魃系母袘?yīng)電流會(huì)逐漸減弱。

除了八木天線外，常規(guī)的定向天線還有拋物面天線，Vivaldi 天線，帶有地板的微帶貼片天線(貼片天線的HFSS和CST仿真對(duì)比，貼片天線的特征模分析及其應(yīng)用)等。
為什么要用陣列天線

·由許多相同的單個(gè)天線（如對(duì)稱天線）按一定規(guī)律排列組成的天線系統(tǒng)，也稱天線陣。俗稱天線陣的獨(dú)立單元稱為陣元或天線單元。如果陣元排列在一直線或一平面上，則成為直線陣列或平面陣

在平面口徑天線簡(jiǎn)談一文中，我們提到了定向性和口徑效率。為了滿足通訊、雷達(dá)、導(dǎo)航、微波著陸、干擾和抗干擾等系統(tǒng)日漸嚴(yán)苛的需求，有必要將天線單元組陣來提高天線的增益，畢竟“眾人拾柴火焰高”。

接下來從理論出發(fā)理解下天線組陣后為什么能提高增益(以均勻直線陣為例)：

如上圖所示，忽略天線的尺寸形狀和單元之間的耦合因素，將每個(gè)天線單元視為一個(gè)點(diǎn)源。考慮到遠(yuǎn)區(qū)可近似認(rèn)為各天線單元到指定點(diǎn)的射線是平行的，第個(gè)單元相對(duì)于第一個(gè)單元的波程差為：

圖中為第一個(gè)天線單元的激勵(lì)電流，為相鄰兩單元的激勵(lì)相位差，第N個(gè)單元(任意形式)天線的遠(yuǎn)區(qū)輻射場(chǎng)可寫作：

總場(chǎng)可記為：

這里令陣因子為：

化簡(jiǎn)可得：
將的公因子提出并歸一化，可得歸一化陣因子：

在總輻射功率相同的情況下，主瓣最大方向上的功率密度與全空間的平均功率密度之比定義為方向性系數(shù)。忽略天線損耗，方向性系數(shù)就可視為天線的實(shí)際增益。同樣，若僅考慮均勻直線陣，此時(shí)

對(duì)于側(cè)射陣而言，。當(dāng)單元數(shù)N較大時(shí)，有下面等式成立：

%matlab code

clear;clc;

x=-pi/2:0.01:pi/2;y1=abs(sin(10*x)./(10*sin(x)));y2=abs(sin(10*x)./(10*x));

plot(x,y1,'r','linewidth',2);hold on;plot(x,y2,'--b','linewidth',2);hold off;

set(gca,'linewidth',3);

xlabel('x','Fontsize',12);

axis([-pi/2,pi/2,0,1]);

h=legend({'$${{\sin \left( {Nx} \right)} \over {N\sin \left( x \right)}}$$',...

'$${{\sin \left( {Nx} \right)} \over {Nx}}$$'},'interpreter','latex');

set(h,'FontName','Times New Roman','FontSize',12,'FontWeight','normal');

帶入積分運(yùn)算，考慮到，可以替換積分上下限進(jìn)行進(jìn)一步運(yùn)算。

因此等幅同相激勵(lì)的均勻直線陣，其最大增益可表示為：

這里為L(zhǎng)=Nd布陣長(zhǎng)度，可以看出單元間距固定的情況下，單元數(shù)量與增益理論上呈現(xiàn)線性關(guān)系。這個(gè)公式同時(shí)也可以說明，當(dāng)布陣尺寸固定的情況下，盲目增加天線單元對(duì)提升陣列的增益是不一定有用的。這里又衍生出了稀布陣的概念，稀布陣在一定程度上可以減少天線單元以降低工程成本，而且在布置陣元上具有更大的自由度，從而獲取更加優(yōu)越的天線性能。

固定布陣長(zhǎng)度的線陣

如下圖所示是一個(gè)貼片天線線陣，現(xiàn)在固定總布陣長(zhǎng)度為：單元數(shù)量*單元間距=100mm。由于CST建模里的Translate操作支持全變量建模，因此可以固定天線單元y軸方向的尺寸為12.5mm，x軸方向的尺寸設(shè)置為100mm/單元數(shù)量，將單元數(shù)量設(shè)置為變量進(jìn)行掃參，這樣就可以仿真固定總布陣長(zhǎng)度下均勻布陣時(shí)，不同單元數(shù)量對(duì)應(yīng)的實(shí)際增益變化。