阵列天线分析与综合讲义 王建
阵列天线分析与综合
前言
任何无线电设备都要用到天线。天线的功能主要有两个
(1) 能量转换
这可以从发射和接收两种情况来说明。
发射时:天线把传输线中的高频电流或导行波转换为向自由空间辐射的电磁
波;
接收时:天线把自由空间的电磁波转换为能在传输线中传输的导行波或高频
电流输送到接收机。
(2) 定向发射和接收
天线可按指定的方向辐射或接收电磁波能量。
天线的性能如何,直接影响无线电设备的使用。对普通雷达系统、微波通讯
系统等来说,要求辐射能量的集中程度不是很高,对波束也不作特殊要求,则通
常选用一副天线就能完成任务,如抛物面天线、卡塞格伦天线等。在现代无线电
系统中,为了完成特殊任务需要提高天线的工作性能,或采用辐射低副瓣的波束
以抗干扰、或形成特殊波束以覆盖特定空间区域、或实现波束扫描以覆盖大范围
空域等,这些性能采用单个天线是不能胜任或不易实现的。然而人们根据电磁波
在空间相互干涉的原理,把某种基本天线按一定规律排列起来组成天线阵,成为
阵列天线,并对每个单元天线赋予合理的激励分布,便能实现各种要求。
采用阵列天线的原因大致有如下几点:
■容易实现极窄波束,以提高天线的方向性和增益;
■易于实现赋形波束;
■易于实现波束的相控扫描;
■易于实现低副瓣电平的方向图。
对上面的第一点,可采用大型阵列天线来实现;对后三点,可采用阵列天线
的口径幅度分布和相位分布来控制。
现在的无线电通讯系统和雷达系统中愈来愈多地采用阵列天线,例如,在民
用移动通讯系统中,作为基站天线的平板阵列天线、航管雷达天线等,军用的远
程警戒雷达天线、预警机载雷达天线、一些炮瞄雷达天线、导弹制导雷达天线等。
由于阵列天线易于实现窄波束、低副瓣和相控波束扫描,使得发现目标和跟
踪目标的可靠性、稳定性和实时性等性能得以提高,原来的一些采用反射面机械
扫描的天线有的也改用阵列天线来实现。
第一章 直线阵列的分析
§1.1 引言
为了增强天线的方向性,提高天线的增益或方向性系数,或者为了得到所需
1
阵列天线分析与综合讲义 王建
的辐射特性,我们可以采用天线阵,以形成阵列天线。天线阵是由多个天线单元
按照一定方式排列在一起而组成的。组成阵列天线的独立单元,称为天线单元、
单元天线或阵元。
阵列中的单元天线通常是相同类型、相同尺寸的天线。例如,由半波振子天
线组成的阵列,称为半波振子天线阵列。此外还有喇叭天线阵列、开口波导天线
阵列、微带天线阵列、波导缝隙天线阵、八木天线阵等等。阵列天线采用何种形
式的单元天线完全取决于工作频率、频带宽度、环境、制造成本等诸多其它因素。
若天线单元排列在一条直线上,则称为直线阵列;排列在一个平面内,则称
为平面阵列。
在线阵中又有圆环阵、椭圆环阵;圆环阵和椭圆环阵本书中又归类为平面阵;
在平面阵中,根据外观形状又有矩形平面阵、圆形平面阵、六边形平面阵等。
根据排列的栅格形式又分为矩形栅格阵列和三角形栅格阵列等。
在某些实用中,天线单元配置在飞机、导弹等实体的表面上,形成载体上的
共形阵列天线。
■ 阵列天线的分析
阵列天线通常有四个参数需要确定,它们是:
(1) 单元总数; (如直线阵的 N,平面阵的 M×N)
yd
(2) 单元在空间的分布;(如直线阵的 d,平面阵的 、 )
xd
(3) 各单元的激励幅度分布;(如直线阵的 nI ,平面阵的 xmI 、 ynI 或 mnI
(4) 各单元的激励相位分布;(如直线阵的 nα ,平面阵的 xmα 、 ynα )
)
一旦这些参数给定,就可分析确定阵列天线的辐射特性,包括阵列天线的方
向图、半功率波瓣宽度、方向性系数、副瓣电平等。
■ 阵列天线的综合
阵列天线的综合则是其分析的逆问题,即在给定辐射特性的情况下综合出阵
列天线的如上四个参数,使阵列的某些辐射特性满足给定的要求,或使阵列的方
向图尽可能地逼近预定的方向图。
§1.2 电流源的辐射场
假 设 在 xz 平 面 上 有 一 个 面 积 为 S 的 面 电 流 源 , 其 面 电 流 密 度 为
=
,如图 1-1 所示,求远区辐射场。
)
′
ˆ
z
zJ x z′
,
(
J r
( )
图 1-1 面电流源及坐标系
2
阵列天线分析与综合讲义 王建
这种模型对分析阵列天线有用,阵列天线中电流分布是离散的分布,可以把
阵列中各单元的电流值视为连续电流分布的抽样值。
求面电流源辐射场的方法如下:
(1) 求矢量位 A
面电流源在远区某点产生的矢量位为
A
=
µ
4
π
∫∫
s
J
(
r
)
′
e
jkR
−
R
ds
′
(1.1)
−
(
)
jk R r
−
R
jkR
,对于远区, ,r R λ ,可作如下近似:
式中, k
2 /π λ=
r
1/
1/
≈
e
e
e
jkr
−
−
=
且由 ˆ
ˆ
r
x
sin cos
θ ϕ
+
ˆ
ˆ
r
x x
z z
′
′
+
R r
可得其中波程差:
则式(1.1)可写作
θ ϕ
+
− = − ⋅ = −
θ ϕ
+
sin cos
sin sin
cos )
θ
=
′
=
ˆ
r r
cos
θ
ˆ
y
x
ˆ
z
(
z
′
′
′
(1.2)
A
=
−
ez
jkr
µ
ˆ
r
4
π
∫∫
S
J x z e
)
′
z
,
′
(
jk x
(
′
sin cos
θ ϕ
z
′+
cos )
θ
d
x dz
′
′
=
ˆ zzA
(1.3)
(2) 把直角坐标系下的矢量分量转化为球坐标系下的矢量分量
A
θ
A
sinz
= −
A 求远区电场
jω= −E
θ
(1.4)
(3) 由远场公式
E
θ
= −
j A
θω ω θ
sinz
j A
=
=
j
jkr
−
e
ωµ
r
4
π
sin
∫∫
θ
S
J
z
(
x z e
)
,
′
′
jk x
(
′
sin cos
θ ϕ
z
′+
cos )
θ
dx dz
′
′
=
−
jkr
ej
η
r
4
π
F
( ,
)
θϕ
⇐
kωµ η
=
(1.5)
式中,
η µ ε
=
/
为传播媒质中的波阻抗,方向图函数为
F
( ,
)
θϕ
∫∫
θ
s
(4) E 面和 H 面方向图函数
sin
=
k
J
z
(
x z e
,
′
) jk x
(
′
′
sin cos
θ ϕ
z
′+
cos )
θ
dx dz
′
′ (1.6)
天线的方向图一般是一个空间的立体图,在天线分析中为了方便起见,一般
只研究两个主面内的方向图,这两个主面是相互垂直的 E 面和 H 面。
E 面:是指通过最大辐射方向并平行于电场矢量的平面;
H 面:是指通过最大辐射方向并垂直于电场矢量的平面;
对于前面图 1-1 所示的面电流源天线,其 E 面和 H 面方向图分别为
3
阵列天线分析与综合讲义 王建
E 面(即 yz 平面,
( )
θ
F
E
H 面(即 xy 平面,
(
)
ϕ
F
H
k
sin
/ 2ϕ π=
)
∫∫
θ
=
s
)
/ 2
J
(
θ π=
= ∫∫
k
s
z
J
z
(
x z e
,
′
) jkz
′
′
cos
θ
dx dz
′
′ (1.7)
x z e
,
′
) jkx
′
′
cos
ϕ
dx dz
′
′
(1.8)
§1.3 均匀直线阵列
为简单起见,这里主要讨论由对称振子组成的直线阵。对称振子组成的直
线阵主要有两种排列形式,一种是平行振子直线阵,如图 1-2 所示,一种是共轴
振子直线阵,如图 1-3 所示。
1.3.1 平行振子直线阵
设阵列中有 N 个相同振子单元天线,长度为 2L,各振子平行排列在 x 轴上,
x − ,阵列天线的电流分布可看作是图 1-1 平面连续电流
,..., N
2
1
x x x
,
位置分别为 0
1
密度的抽样。即
,
J x z
,
′
z
(
)
′
N
1
−
= ∑
n
=
0
I g z
(
n
) (
′
δ
x
′
x
n−
)
(1.9)
, nI 表示单元馈电振幅,α表示相邻单元间的馈电相位差。g z(
)n
)′
δ ′ − 为
k L
sin (
, (
)
′
=
−
|)
x
x
z
′
|
n
I e α
jn
n
=
I
式中,
g z
表示振子上电流沿 z 轴变化的函数,其近似为 (
delta 函数。
把式(1.9)代入(1.6),并利用 ( ) (
δ −
f x
x
)
x dx
n
=
f x
(
n
)
,得
∫
F
( ,
)
θϕ
=
k
sin
1
−
N
∑
θ
n
=
0
I e
n
jkx
n
sin cos
θ ϕ
∫
L
g z e
)
(
′
jkz
′
cos
θ
dz
′
=
kf
Sθ θϕ
0( ) ( ,
)
(1.10)
式中,单元方向图函数为
g z e
(
sin
=
f
0( )
θ
) jkz
′
∫
θ
L
′
cos
dzθ
′
=
kL
2 cos(
k
cos )
θ
−
sin
θ
cos(
kL
)
(1.11)
4
阵列天线分析与综合讲义 王建
阵因子方向图函数为
N
1
−
S
( ,
)
θϕ
n
0
=
sin cos
θ=
= ∑
I
n
jkx
n
sin cos
θ ϕ
e
1
−
N
= ∑
n
=
0
j kx
(
n
I e
n
cos
)
α α
+
n
x
(1.12)
式中,cos
xα
ϕ为阵轴与射线之间的夹角,见图 1-2。
式(1.10)表示了阵列天线的方向图相乘原理,即阵列天线的方向图为单元方
向图与阵因子方向图的乘积。由式(1.12)可见,阵因子与单元数 N,单元的空间
S θϕ 可视为由理想的无方向
分布 nx ,激励幅度 nI 和激励相位α有关。阵因子 ( ,
性的点源组成的阵列方向图函数。一般情况下,单元方向图是已知的,因此,研
究阵因子的特点便能获得阵列的辐射特性。
)
对于均匀直线阵,单元为等间距 d 排列,激励幅度相同
I= ,激励相位按
α均匀递变(递增或递减)。设无论是奇数还是偶数单元的阵列,其坐标原点均设
在阵列中点,如图 1-4 所示。
nI
0
这两种情况均有如下关系
1
+ −
=
n
x
(
n
N
1
d+
)
2
, n
=
0,1,2,...,
1N
− (1.13)
代入式(1.12)可得均匀直线阵的阵因子为
N
∑
n
( ,
)
θϕ
N
1
+
2
d
) cos
(1
−
α
x
=
S
e
jk
I
0
=
0
1
−
jnu
e
(1.14)
式中, u
=
k cos x
d α α
+ (1.15)
令 t
=
1
−
N
∑
n
=
0
jnu
e
1
= +
e
ju
+
e
j u
2
+
+
e
j N
(
1)
−
u
ju
te
=
e
ju
+
e
j u
2
+
e
j u
3
+
+
e
jNu
两式相减得: t
(1
−
e
ju
) 1
= −
jNue
则得:
t
=
jNu
e
1
−
e
1
−
ju
j N
(
1)
−
u
/ 2
=
e
si
n(
sin(
Nu
u
/ 2)
/ 2)
(1.16)
把式(1.16)代入(1.14),并取阵因子的模值得
N kd
(
kd
sin[
sin[(
sin(
sin(
/ 2)
/ 2)
Nu
u
S u
(
) |
=
=
I
I
|
0
0
cos
cos
α α
α α
+
x
+
) / 2]
) / 2]
x
(1.17)
从数学上看,阵因子 S u 是在
( )
xα π≤
实际上 xα 的变化范围为0
−∞ < < ∞ 范围内的周期函数,周期为 2π,
,由
+ 可得对应的实际范围为
s xα α
u
=
kd
co
≤
u
5
阵列天线分析与综合讲义 王建
−
kd
α
+ ≤ ≤
u
kd
+ (1.18)
α
该范围为可见区,范围之外为非可见区,如图 1-5 所示为单元数为 N=5,单元
间距为
随 变化的图
形。
时的归一化阵因子
,均匀递变相位为
/ 6α π=
d λ=
( )S u
/ 2
u
最大值出现在:u
2mπ=
, m 0, 1, 2,
= ± ±
m=0 时对应为主瓣,m 为其它值时对应为栅瓣。
最大值为: S
=
max
u
lim ( )
u
→
S
0
= I N
0
。 (1.19)
图 1-5 均匀直线阵阵因子归一化函数图
对于平行振子均匀直线阵,见图 1-2,由式(1.10)可得其 yz 面(
/ 2ϕ π=
)方向
图函数为
|
F
) |
(
=
θ
kI
f
0
( )
θ
0
N
sin(
/ 2)
α
/ 2)
sin(
α
(1.20)
式中用了关系co
s
α
x
H 面方向图(xy 面,
=
θ π=
sin cos
|
θ ϕ =
ϕ π
/ 2
|
F
H
) |
(
ϕ
=
kI
0
f
0
(
π
/ 2)
=
/ 2
)函数为
N kd
(
kd
sin[
sin[(
0
。当α= 时,上式就为 E 面方向图。
0
cos
cos
+
ϕ α
+
ϕ α
) / 2]
) / 2]
(1.21)
1.3.2 共轴振子直线阵
同样设单元数为 N,单元振子长度为 2L,各振子共轴置于 z 轴上,振子中
心位置分别为
z z
,
0
1
,
z
2
,
z −
, N
1
J x z
,
′
z
(
)
′
=
(
δ
x
)
′
此式代入书上式(1.6)得
。共轴振子线阵的电流密度函数为
N
∑
I g z
(
n
z
n−
1
−
)
′
(1.22)
n
=
0
6
阵列天线分析与综合讲义 王建
F
( )
θ
=
k
sin
jkz
′
cos
dθ
z
′
(1.23)
令
z
0
z
′=
−
z
n
,则
z
′ =
z
0
g z
(
′
−
z e
)
n
n
1
−
N
∑ ∫
I
θ
n
z
+
n
0
=
,上式变为
L
F
( )
θ
=
k
sin
∫
θ
L
g z e
(
)
0
jkz
0
cos
θ
dz
0
1
−
N
⋅ ∑
n
=
0
I e
n
jkz
n
cos
θ
=
kf
Sθ θ⋅
0( )
( )
式中,单元振子的方向图函数为
g z e
(
( )
θ
sin
f
∫
θ=
L
0
(1.24)
) jkz
0 cos
dzθ
0
与前面式(1.11)表示相同。
0
阵因子为 S
( )
θ
N
1
−
= ∑
I
n
n
=
0
jkz
n
cos
θ
e
1
−
N
= ∑
n
=
0
j kz
(
n
I e
n
cos
)
θ α
+
n
与式(1.12)表示相同。
由式(1.24)可见,共轴振子线阵的方向图函数与ϕ无关,说明 ( )F θ 是关于 z
轴旋转对称的。
其 E 面方向图函数为:
H 面(xy 平面,
/ 2
不论是平行振子线阵还是共轴振子线阵,只要是直线阵,它们的阵因子表达
EF
S
)方向图函数为:
= 常数,为一个圆。
( )
( )
θ θ
EF
( ) |
θ πθ =
/ 2
θ π=
( )
θ
kf
=
⋅
0
式在形式上是相同的。
沿 x 阵排列的直线阵
S
(
α
x
)
沿 y 轴排列的直线阵
S
(
α
y
)
沿 z 轴排列的直线阵
S
(
α
z
)
1
−
N
= ∑
n
=
0
1
−
N
= ∑
n
=
0
j kx
(
n
I e
n
j ky
(
n
I e
n
cos
)α α
+
n
x
cos
)
α α
+
n
y
1
−
N
= ∑
n
=
0
j kz
(
n
I e
n
cos
)
α α
+
n
z
,cos
xα
=
sin cos
θ ϕ
,cos
yα
=
sin sin
θ ϕ
,cos
zα
θ=
cos
z
y
,
阵因子中的 ,
x
α α α 均表示射线与阵轴之间的夹角; ,θϕ为球坐标系中的角
x y z 则表示阵列单元分别沿 x 轴、y 轴和 z 轴排列的位置分布。
坐标变量; ,
,
n
为了通用性,设阵轴与射线之间的夹角为β,沿阵轴排列的位置分布为 nξ ,则直
线阵的阵因子通用表示为
n
n
S
(
)
β
1
−
N
= ∑
n
=
0
j k
(
n
)
I e ξ β α
n
cos
+
n
(1.25)
■ 任意形式的单元天线组成的直线阵
直线阵阵因子式(1.25),是在单元为对称振子的情况下得到的,它适合其它
形式的单元天线组成的直线阵妈?回答是肯定的。其它形式的单元天线,如开口
波导、喇叭、微带天线、八木天线等。这里我们对任意形式的单元天线组成的直
7
阵列天线分析与综合讲义 王建
线阵采用另一种方法导出其阵因子。
任意形式的单元天线的远区辐射场均可表示为如下形式
E
n
=
A f
n
)
0( ,
θϕ
e
jkR
−
n
R
n
=
A
n
j
A e α
n
式中,
向图函数。构成的直线阵如下图 1-6 所示。
n
,表示单元天线的激励幅度和相位, 0( ,
f θϕ 为单元天线的方
)
图 1-6 任意形式的单元天线组成的直线阵
则阵列总场为:
E
T
=
E
=∑
n
n
f
0
( ,
)
θϕ
波程差为:
R
n
− = −
r ξ β
cos
,得
n
N
1
−
∑
A
n
n
=
0
e
jkR
−
n
R
n
=
e
jkr
−
r
f
0
( ,
)
θϕ
N
1
−
∑
A e
n
n
=
0
−
jk R r
−
(
n
)
E
T
=
e
jkr
−
r
f
0( ,
)
θϕ β
S
)
(
⋅
式中阵因子为:
S
(
)
β
1
−
N
= ∑
n
=
0
j k
(
)n
ξ β α
n
cos
+
A e
n
(1.26)
若 n
nα α= ,即相位为均匀递变,且取 nA
对于均匀直线阵,即相位为均匀递变,等间距 d 排列,激励幅度相同
In= ,则上式与(1.25)完全一样。
nI
I= ,
0
其通用阵因子为
S
(
)
β
=
I
0
sin[
sin[
N
2
1
2
(
kd
cos
)]
β α
+
(
kd
cos
)]
β α
+
=
I
0
式中,u
=
k cos
d β α
+ 。
前面已提到,均匀直线阵阵因子的最大值为:
sin(
sin(
Nu
2
u
2
)
)
(1.27)
(1.28)
S
最大值出现在:u
max
0
=
= I N
S u
lim ( )
u
0
→
, m 0, 1, 2,
2mπ=
k cos
d β α
0
=
= ± ±
■m=0 时对应为主瓣,即u
+ = ,此时,最大指向为
β =
m
arc
cos(
−
α
kd
)
(1.29)
当 0α= 时,
当
kdα= ± 时,
mβ =
o90
mβ =
,即阵因子方向图最大指向与阵轴垂直,为侧射阵。
0,180
,即最大指向在阵轴方向,称为端射阵。
o
8