陣列天線分析與綜合1(已修改)
2025-07-07 04:28 本頁(yè)面
【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(wú)線電設(shè)備都需要用到天線。天線的基本功能是能量轉(zhuǎn)換和電磁波的定向輻射或接收。天線的性能直接影響到無(wú)線電設(shè)備的使用?，F(xiàn)代無(wú)線電設(shè)備，不管是通訊、雷達(dá)、導(dǎo)航、微波著陸、干擾和抗干擾等系統(tǒng)的應(yīng)用中，越來(lái)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(jié)構(gòu)、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(gòu)成直線陣；如果排列在一個(gè)平面內(nèi)，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(wú)線電系統(tǒng)中為了提高工作性能，如提高增益，增強(qiáng)方向性，往往需要天線將能量集中于一個(gè)非常狹窄的空間輻射出去。例如精密跟蹤雷達(dá)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(yuǎn)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(gè)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(duì)一些雷達(dá)設(shè)備、飛機(jī)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(wù)，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(dá)應(yīng)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(jī)械掃描則反應(yīng)時(shí)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(dá)系統(tǒng)中，既需要在俯仰面進(jìn)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(jìn)行波束賦形，實(shí)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(xiàng)技術(shù)的發(fā)展，天線饋電網(wǎng)絡(luò)與單元天線進(jìn)行一體化設(shè)計(jì)成為可能，高集成度的T/R組件的成本越來(lái)越低，使得在陣列天線中的越來(lái)越廣泛的采用，陣列天線實(shí)現(xiàn)低副瓣和極低副瓣越來(lái)越容易，功能越來(lái)越強(qiáng)。等等。綜上所述，采用陣列天線的原因大致有如下幾點(diǎn)：■容易實(shí)現(xiàn)極窄波束，以提高天線的方向性和增益；■易于實(shí)現(xiàn)賦形波束和多波束；■易于實(shí)現(xiàn)波束的相控掃描；■易于實(shí)現(xiàn)低副瓣電平的方向圖。對(duì)上面的第一點(diǎn)，可采用大型陣列天線來(lái)實(shí)現(xiàn)；對(duì)后三點(diǎn)，可采用陣列天線的口徑幅度分布和相位分布來(lái)控制，并考慮饋電網(wǎng)絡(luò)與輻射單元天線的一體化設(shè)計(jì)，甚至采用含T/R組件的有源相控陣?，F(xiàn)在的無(wú)線電通訊系統(tǒng)和雷達(dá)系統(tǒng)中愈來(lái)愈多地采用陣列天線，例如，在民用移動(dòng)通訊系統(tǒng)中，作為基站天線的平板陣列天線、航管雷達(dá)天線等，軍用的遠(yuǎn)程警戒雷達(dá)天線、預(yù)警機(jī)載雷達(dá)天線、一些炮瞄雷達(dá)天線、導(dǎo)彈制導(dǎo)雷達(dá)天線，微波著陸系統(tǒng)天線等。由于陣列天線易于實(shí)現(xiàn)窄波束、低副瓣和相控波束掃描，使得發(fā)現(xiàn)目標(biāo)和跟蹤目標(biāo)的可靠性、穩(wěn)定性和實(shí)時(shí)性等性能得以提高，原來(lái)的一些采用反射面機(jī)械掃描的天線有的也改用陣列天線來(lái)實(shí)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(kāi)口波導(dǎo)天線陣列、微帶天線陣列、波導(dǎo)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(gè)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(lì)幅度分布；(如直線陣的，平面陣的、或)(4) 各單元的激勵(lì)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(wèn)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(gè)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(yù)定的方向圖。第一章 直線陣列的分析167。 引言為了增強(qiáng)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(gè)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(dú)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(chǔ)。對(duì)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(gòu)成的。導(dǎo)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(chǎng)，然后根據(jù)陣列為離散源組合在一起的特點(diǎn)對(duì)面電流源進(jìn)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(yuǎn)區(qū)輻射場(chǎng)的表示，然后考慮波程差，把陣列中所有單元天線的輻射場(chǎng)疊加起來(lái)，求得陣列的總輻射場(chǎng)，從而求得陣因子。167。 電流源的輻射場(chǎng)假設(shè)在xz平面上有一個(gè)面積為S的面電流源，其面電流密度為，如圖11所示，求遠(yuǎn)區(qū)輻射場(chǎng)。圖11 面電流源及坐標(biāo)系這種模型對(duì)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(chǎng)的方法如下：(1) 求矢量位A面電流源在空間某點(diǎn)產(chǎn)生的矢量位為 ()式中，對(duì)于遠(yuǎn)區(qū)，可作如下近似： 且由 可得其中波程差： ()則式()可寫(xiě)作 ()(2) 把直角坐標(biāo)系下的矢量分量轉(zhuǎn)化為球坐標(biāo)系下的矢量分量 ()(3) 由遠(yuǎn)場(chǎng)公式 求遠(yuǎn)區(qū)電場(chǎng) ()式中，為傳播媒質(zhì)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(gè)空間的立體圖，在天線分析中為了方便起見(jiàn)，一般只研究?jī)蓚€(gè)主面內(nèi)的方向圖，這兩個(gè)主面是相互垂直的E面和H面。E面：是指通過(guò)最大輻射方向并平行于電場(chǎng)矢量的平面；H面：是指通過(guò)最大輻射方向并垂直于電場(chǎng)矢量的平面；對(duì)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(jiǎn)單起見(jiàn)，這里主要討論由對(duì)稱振子組成的直線陣。對(duì)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(shè)陣列中有N個(gè)相同振子單元天線，長(zhǎng)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
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