陣列天線及其佈置的探討

2022-04-10 455

摘要：

實際生活中，我們使用的終端通常都是單天線或MIMO天線，具有較高的增益，單天線輻射方向圖上有較寬的3dB波束。在許多長距離通訊需求中，需要使用強方向性的天線（例如基地台天線）來彌補空間衰減。

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定向天線

在雪閣天線柱中，全向振子天線（天線從電磁波產生到對稱振盪器首先介紹全向天線（又稱為全向天線）。這類天線的優點是可以實現全面覆蓋，但增益不高，通訊範圍有限。此外，在實際使用過程中，全向天線需要較大的淨空面積。

假設在黑暗的隱形環境下，手電筒的功率為3 W 雖然亮區很小，但非常明亮，是黑暗中的一束光。普通燈泡的功率為60W，360°亮區很廣，但亮度相對較弱。雖然燈泡的功率是手電筒的20倍，但為了照亮視線內的某個不定物體，手電筒必然會用到燈泡，儘管亮區是看不見的。兩者各有優缺點。手電筒類似於定向天線，而燈泡類似於全向天線。

相對而言，定向天線輻射更集中能源且增益比全向天線更高，更適合長距離點對點通訊。方向圖中的定向端射天線－八木天線，由增加一個被動反射器並聯排列八個被動引向器構成，廣泛應用於高頻, VHF 和 UHF 波品牌。

如下圖所示，受激半波振子的H面方向圖為圓形，表示輻射能量在水平面上可達到360°覆蓋，且無方向性。但在將一個或多個額外的被動振盪器並排放置後, H面中的方向圖將是方向性的。

一般而言，指向數越多，方向性越強；但並非線性關係，因為在各個端點上的感應電流是逐漸減弱的。

常規定向天線除八木天線外，還有拋物面天線、Vivaldi天線、地板微帶貼片天線（貼片天線HFSS與CST模擬比較及貼片天線特性模組分析與應用).

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為什麼要使用陣列天線？

The 由許多相同的單天線（如對稱天線）依一定規律排列所構成的天線系統，也稱為天線陣。通常所說的天線陣的獨立單元，稱為陣元或天線單元。它可以是線陣，也可以是面陣。
方向性和 孔徑效率 在文章中提到平面口徑天線的討論為了滿足通訊、雷達、導航、微波著陸、幹擾和抗干擾等系統日益嚴格的要求，需要將天線單元陣列化，提高天線陣列的精度，因為當「人人添燃料，火勢越來越旺”.
接下來我們來了解為什麼天線列陣後（以均勻線陣為例）增益可以提高：

如上圖所示，忽略天線尺寸、形狀以及單元間的耦合因素，將各天線視為點源。考慮到遠區可以近似地看出各天線單元到指定點的射線平行，n個天線單元間的波程差^th 單位和 1^st 單位為：

圖中第一個天線單元的激勵電流為相鄰兩個單元的激勵相位差，第n個天線單元的遠區輻射場^th 單位（任意形式）可以寫如下：

總欄位可記錄如下：

假設陣列因子是：

可以簡化為：

Put 前鋒並對公因數進行歸一化，可得到歸一化因子：

當總輻射功率相同時，主瓣最大方向上的功率密度與整個空間平均功率密度比定義為 方向性因子忽略天線損耗，方向性因子可視為天線的實際增益。同樣，如果只考慮均勻線陣，則公式如下。

對於側射陣，當陣元個數N較大時，有下列公式成立：

I若引入積分運算，可透過代入積分的上下限來實現進一步的運算。

因此，對於均勻幅度、相同相位的均勻線陣，最大增益可表示為：

這裡指的是陣列長度。這表明，當單元間距一定時，單元數量與增益在理論上呈線性關係。同時，公式表明，當陣列尺寸一定時，盲目增加天線單元並不一定能提高陣列增益。由此推導出稀疏陣列。稀疏陣列可以在一定程度上減少天線單元，降低工程成本，並且在陣元排列上更自由，從而獲得更優異的天線性能。

假設下圖為貼片天線的線陣，固定總陣長為： 單位數量 * 單元間距 = 100 毫米。以來 CST建模中的平移操作支援全變量建模，y軸方向的維度天線單元可以固定為 12.5 毫米，x 軸方向設定為 100 毫米/單位。以單元數為參考變量，模擬在總陣列長度固定、均勻排列的情況下，不同單元數對應的實際增益變化。