阵列天线及其布置的探讨

2022-04-10 463

摘要：

实际生活中，我们使用的终端一般配备单天线或MIMO天线，其增益较高，单天线辐射方向图中3dB波束较宽。在许多长距离通信需求中，需要强方向性天线（例如基站天线）来弥补空间衰减。

0 1

定向天线

雪阁天线柱内，全向振子天线（天线从电磁波产生到对称振荡器首先介绍全向天线，该类天线的优点是可以实现全面覆盖，但增益不高，通信范围有限，而且在实际使用过程中，全向天线需要较大的净空面积。

假设在黑暗的不可见环境下，手电筒的功率为3 W 尽管亮域非常小，但仍然非常明亮，就像黑暗中的光束一样。普通灯泡的功率为60W，360°亮域很广，但亮度相对较弱。虽然灯泡的功率是手电筒的20倍，但为了照亮视线内某些不确定的物体，手电筒不可避免地要使用灯泡，尽管存在不可见的亮域。两者都有各自的优点和缺点。手电筒类似于定向天线，灯泡类似于全向天线。

相对而言，定向天线，辐射更加集中能源并且比全向天线增益更高，更适合远距离点对点通信。方向图中的定向端射天线——八木天线，增加一个无源反射板，并联8个无源指向器即可构成，广泛应用于高频领域。, VHF 和 UHF 电波品牌。

如下图所示，受激半波振子的H面方向图是一个圆形，这意味着辐射能量可以在水平面内实现360°覆盖，并且是无方向性的。但并排放置一个或多个附加无源振荡器后, H 面的方向图将是有向的。

一般而言，董事人数越多，方向性越强；但并不是线性关系，因为各端的感应电流是逐渐减弱的。

除八木天线外，常规定向天线还包括抛物面天线、维瓦尔第天线和带底板的微带贴片天线（贴片天线的HFSS与CST仿真对比及贴片天线的特性模块分析与应用).

0 2

为什么采用阵列天线？

The 由许多相同的单天线（如对称天线）按一定规律排列构成的天线系统也称为天线阵列。俗称天线阵列的独立单元称为阵元或天线单元。它将是线性阵列或平面阵列。
方向性和 孔径效率 文章中提到平面口径天线的讨论。为了满足通信、雷达、导航、微波着陆、干扰和抗干扰等系统日益严格的要求，需要采用阵列天线单元来提高天线晶粒，以适应“每个人都添加燃料，火焰熊熊燃烧”.
接下来我们来了解一下为什么天线阵列后增益可以提高（以均匀线阵为例）：

如上图所示，在忽略天线的尺寸和形状以及单元间的耦合因数后，将每个天线视为点源。考虑到远区可近似看出各个天线单元到指定点的射线是平行的，n个天线单元之间的波程差^th 单位和 1^st 单位是：

图中第一个天线单元的激励电流为相邻两个单元的激励相位差，第n个天线单元的远区辐射场^th 单位（任意形式）可以写成如下：

Total字段可以记录如下：

假设数组因子为：

可以简化为：

Put 前锋对公因子进行归一化，得到归一化因子：

当总辐射功率相同时，主瓣最大方向上的功率密度与整个空间的平均功率密度之比定义为 方向性因子。忽略天线损耗，方向性因子可以视为天线的实际增益。类似地，如果仅考虑均匀线性阵列，则公式如下。

对于侧射阵列，当单元数量N较大时，成立如下方程：

I当进行积分运算时，可以通过替换积分上下限来实现进一步的运算。

因此，对于幅度均匀、相位相同的均匀线阵，最大增益可以表示为：

这里是排列长度。这表明，当单元间距固定时，单元数量与增益理论上呈线性关系。同时，该公式也表明，当阵列尺寸固定时，盲目增加天线单元对于提高阵列增益并不一定有用。这样就导出了稀疏数组。稀疏阵列可以在一定程度上减少天线单元，降低工程成本，而且阵元布置更加自由。爸爸，这进一步可以获得更出色的天线性能。

假设下图是贴片天线的线性阵列，固定的总阵列长度为： 单位数 * 单位间距 = 100 mm。自 CST建模中的Translate操作支持全变量建模，y轴方向尺寸天线单元可以固定为 12.5 mm，x 轴方向设置为 100毫米/个。将单元数量设置为参考变量，在固定总排列长度下均匀排列的情况下，模拟不同单元数量对应的实际增益变化。