天线阵方向特性分析

天线阵方向特性分析

天线阵列是现代通信系统中的重要组成部分，其方向特性直接影响着信号的发射和接收效果。本文将从理论和仿真两个方面，深入分析N元均匀直线式天线阵的方向特性，探讨天线个数和阵元间距对辐射方向图的影响。

对于N 元均匀直线式天线阵，各天线单元沿直线等间距分布，如图1 所示。图中的单元天线可以是即将介绍的USＲP 2920 所配套的单极天线。需要注意的是，本文所讨论的天线辐射行为均以远场区为前提条件。在辐射远场区，将天线上各点到测量点的连线当作是平行的，所引入的误差小于一定的限度。如天线尺寸为D，则远场区距离应大于2 D2 /λ。当辐射源尺寸D 的数量级小于波长λ 时( 2 D2 /λ ＜ λ /6，D ＜ λ /3． 5) ，辐射近场区范围小于感应场区，辐射场区全部是辐射远场区。如果测量天线为微波段的面天线，且尺寸较大，所测辐射源与测量天线的距离大于2 D2 /λ 认为是辐射远场区。

图1 均匀直线天线阵发射信号分析

天线阵列在远场处的辐射电场可写为［5－6］:

其中的f0( θ，φ)是阵元的方向图函数，反映了天线单元的辐射方向特性

是天线阵的阵因子。由于采用的天线单元为单极天线，且在水平面内单极天线具有均匀辐射的特点，因此天线阵的辐射方向性仅取决于阵因子。公式( 1)中ψ是相邻天线单元的“净”相位差，它包括两部分内容，即:相邻天线单元由于距离“远近”造成的相位差，以及由于馈电“先后”造成的相位差。且

其中，ε 为沿着x方向排布的阵元依次滞后的馈电相位，k为波数，d是阵元间距。

求fa( ψ)的导数零点，即可得到阵因子取最大值时的“净”相位差。可得当ψ = 0时，阵因子取得最大值。因此，称

为阵列的最强辐射条件。该等式意味着当馈电相位、工作频率和阵元间距都确定后，在φm方向上各单元天线的辐射场会同相叠加，达到最强辐

射效果。调整任一个参数，都会改变阵列的最强辐射方向。

例如，上述结果取ε= 0，此时φm = π/2或3π/2，这就是所谓的侧射式天线阵。图2展示了当直线阵沿水平以四分之一波长等间距排布且工作频率为1．5 GHz时，天线个数N对阵列方向图的影响。

图2 多元直线阵发射方向特性

由图2可以看出，在一定范围内，直线式天线阵阵元个数越多，在垂直方向上的波瓣就越尖锐。为了展示最具代表性的直线阵方向图，采用N = 4。四元直线阵的阵元间距d对天线方向图的影响如图3所示:

图3 阵元间距对1．5 GHz天线阵发射方向特性的影响

由图3可以看出，直线式天线阵阵元间距越大，其方向图会变得越尖锐，但旁瓣个数以及宽度都会增加，导致方向性恶化。根据仿真结果，选取阵元间距d = 0．1 m，此时在90°和270°方向上，即阵列垂线所在的方向上，波瓣图最尖锐，表明该方向辐射最强。根据互易定理可知，如果将天线阵列作为接收天线使用，同样满足相关结论，亦即其在侧面方向接收信号的效果最好。