【正文】 陣列天線分析與綜合講義 王建陣列天線分析與綜合前言任何無線電設備都需要用到天線。天線的基本功能是能量轉換和電磁波的定向輻射或接收。天線的性能直接影響到無線電設備的使用?，F(xiàn)代無線電設備，不管是通訊、雷達、導航、微波著陸、干擾和抗干擾等系統(tǒng)的應用中，越來越多地采用陣列天線。陣列天線是根據(jù)電磁波在空間相互干涉的原理，把具有相同結構、相同尺寸的某種基本天線按一定規(guī)律排列在一起組成的。如果按直線排列，就構成直線陣；如果排列在一個平面內，就為平面陣。平面陣又分矩形平面陣、圓形平面陣等；還可以排列在飛行體表面以形成共形陣。在無線電系統(tǒng)中為了提高工作性能，如提高增益，增強方向性，往往需要天線將能量集中于一個非常狹窄的空間輻射出去。例如精密跟蹤雷達天線，要求其主瓣寬度只有1/3度；接收天體輻射的射電天文望遠鏡的天線，其主瓣寬度只有1/30度。天線輻射能量的集中程度如此之高，采用單個的振子天線、喇叭天線等，甚至反射面天線或卡塞格倫天線是不能勝任的，必須采用陣列天線。對一些雷達設備、飛機著陸系統(tǒng)等，其天線要求輻射能量集中程度不是很高，其主瓣寬度也只有幾度，雖然采用一副天線就能完成任務，但是為了提高天線增益和輻射效率，降低副瓣電平，形成賦形波束和多波束等，往往也需要采用陣列天線。在雷達應用中，其天線即需要有尖銳的輻射波束又希望有較寬的覆蓋范圍，則需要波束掃描，若采用機械掃描則反應時間較慢，必須采用電掃描，如相控掃描，因此就需要采用相控陣天線。在多功能雷達系統(tǒng)中，既需要在俯仰面進行波束掃描，又需要改變相位展寬波束，還需要僅改變相位進行波束賦形，實現(xiàn)這些功能的天線系統(tǒng)只有相控陣天線才能完成。隨著各項技術的發(fā)展，天線饋電網(wǎng)絡與單元天線進行一體化設計成為可能，高集成度的T/R組件的成本越來越低，使得在陣列天線中的越來越廣泛的采用，陣列天線實現(xiàn)低副瓣和極低副瓣越來越容易，功能越來越強。等等。綜上所述，采用陣列天線的原因大致有如下幾點：■容易實現(xiàn)極窄波束，以提高天線的方向性和增益；■易于實現(xiàn)賦形波束和多波束；■易于實現(xiàn)波束的相控掃描；■易于實現(xiàn)低副瓣電平的方向圖。對上面的第一點，可采用大型陣列天線來實現(xiàn)；對后三點，可采用陣列天線的口徑幅度分布和相位分布來控制，并考慮饋電網(wǎng)絡與輻射單元天線的一體化設計，甚至采用含T/R組件的有源相控陣?，F(xiàn)在的無線電通訊系統(tǒng)和雷達系統(tǒng)中愈來愈多地采用陣列天線，例如，在民用移動通訊系統(tǒng)中，作為基站天線的平板陣列天線、航管雷達天線等，軍用的遠程警戒雷達天線、預警機載雷達天線、一些炮瞄雷達天線、導彈制導雷達天線，微波著陸系統(tǒng)天線等。由于陣列天線易于實現(xiàn)窄波束、低副瓣和相控波束掃描，使得發(fā)現(xiàn)目標和跟蹤目標的可靠性、穩(wěn)定性和實時性等性能得以提高，原來的一些采用反射面機械掃描的天線有的也改用陣列天線來實現(xiàn)。陣列中的單元天線通常是相同類型、相同尺寸的天線。例如，由半波振子天線組成的陣列，稱為半波振子天線陣列。此外還有喇叭天線陣列、開口波導天線陣列、微帶天線陣列、波導縫隙天線陣、八木天線陣等等。陣列天線采用何種形式的單元天線完全取決于工作頻率、頻帶寬度、環(huán)境、制造成本等諸多其它因素。■ 陣列天線的分析陣列天線的分析是在已知如下四個參數(shù)的情況下分析確定陣列天線的輻射特性，包括陣列天線的方向圖、半功率波瓣寬度、方向性系數(shù)、副瓣電平等。(1) 單元總數(shù)； (如直線陣的N，平面陣的MN)(2) 單元在空間的分布；(如直線陣的d，平面陣的、)(3) 各單元的激勵幅度分布；(如直線陣的，平面陣的、或)(4) 各單元的激勵相位分布；(如直線陣的，平面陣的、)■ 陣列天線的綜合陣列天線的綜合則是其分析的逆問題，即在給定輻射特性的情況下綜合出陣列天線的如上四個參數(shù)，使陣列的某些輻射特性滿足給定的要求，或使陣列的方向圖盡可能地逼近預定的方向圖。第一章 直線陣列的分析167。 引言為了增強天線的方向性，提高天線的增益或方向性系數(shù)，或者為了得到所需的輻射特性，我們可以采用天線陣，以形成陣列天線。天線陣是由多個天線單元按照一定方式排列在一起而組成的。組成陣列天線的獨立單元，稱為天線單元、單元天線或陣元。直線陣列的分析方法是平面陣列分析的基礎。對于可分離型的矩形網(wǎng)格矩形邊界的平面陣列，可以看作是一些直線陣列按行或按列排列在一起構成的。導出直線陣列陣因子的方法大致有兩種，一種是求解面電流源的輻射場，然后根據(jù)陣列為離散源組合在一起的特點對面電流源進行抽樣，就可得到直線陣列的陣因子；一種是先確定單元天線的遠區(qū)輻射場的表示，然后考慮波程差，把陣列中所有單元天線的輻射場疊加起來，求得陣列的總輻射場，從而求得陣因子。167。 電流源的輻射場假設在xz平面上有一個面積為S的面電流源，其面電流密度為，如圖11所示，求遠區(qū)輻射場。圖11 面電流源及坐標系這種模型對分析陣列天線有用，陣列天線中電流分布是離散的分布，可以把陣列中各單元的電流值視為連續(xù)電流分布的抽樣值。求面電流源輻射場的方法如下：(1) 求矢量位A面電流源在空間某點產生的矢量位為 ()式中，對于遠區(qū)，可作如下近似： 且由 可得其中波程差： ()則式()可寫作 ()(2) 把直角坐標系下的矢量分量轉化為球坐標系下的矢量分量 ()(3) 由遠場公式 求遠區(qū)電場 ()式中，為傳播媒質中的波阻抗，方向圖函數(shù)為 ()(4) E面和H面方向圖函數(shù)天線的方向圖一般是一個空間的立體圖，在天線分析中為了方便起見，一般只研究兩個主面內的方向圖，這兩個主面是相互垂直的E面和H面。E面：是指通過最大輻射方向并平行于電場矢量的平面；H面：是指通過最大輻射方向并垂直于電場矢量的平面；對前面圖11所示的面電流源天線，其E面和H面方向圖分別為:E面(即yz平面，) ()H面(即xy平面，) ()167。 直線陣列 為簡單起見，這里主要討論由對稱振子組成的直線陣。對稱振子組成的直線陣主要有兩種排列形式，一種是平行振子直線陣，如圖12所示，一種是共軸振子直線陣，如圖13所示。圖12 并排振子直線陣 圖13 共軸振子直線陣 并排振子直線陣設陣列中有N個相同振子單元天線，長度為2L，各振子平行排列在x軸上，位置分別為，陣列天線的電流分布可看作是圖11平面連續(xù)電流密度的抽樣。即 ()式中，表示單元饋電振幅，表示相鄰單元間的饋