chap1天线的方向图.ppt

* 为了增强天线的方向性，提高天线的增益或方向性系数，或者为了得到所需要的辐射特性，我们可采用天线阵以形成阵列天线。天线阵是由多个单元天线按一定方式排列在一起而构成的。组成阵列天线的独立单元称为天线单元或阵元。 阵列中的天线单元通常是相同类型、相同尺寸的天线。如多个半波对称振子天线构成的阵列，称为半波振子阵列天线。此外还有喇叭天线阵、微带天线阵、波导缝隙阵、八木天线阵等等。 1.7 天线阵 若天线单元排列在一条直线上或一个平面内，则称为直线阵或平面阵。在平面阵中，各单元又可排列成圆形阵、矩形阵等。实用中，天线单元配置在飞机、导弹、卫星等实体的表面上，形成共形阵。 天线阵在后面第5章将详细介绍。这里主要介绍简单的二元阵、三元阵及均匀直线阵。并介绍阵列天线的分析方法和方向图相乘原理。 天线阵的辐射可由阵1内各天线的辐射迭加求得,它与每一天线的型式,相对位置和电流分布等有关,选择并调整天线的型式,位置和电流关系,就可得到适合需要的各种型式的方向图. 1.二元天线阵 二元天线阵是由两个同类型，同尺寸的天线组成的。我们以点来表示这两个天线单元，单元间距为d，两单元激励电流分别为I0和I1，如图所示并建立坐标系。它们到远区观察点的距离分别为r0和r1。由于观察点很远，可认为两条射线r0和r1平行。 二元阵及坐标系 假设 那么 其中 式中m为两单元电流的幅度比，?为两单元电流之间的相位差，若?0，则I1滞后于I0；若?0 ，则I1超前于I0 ；若?=0 ，则I1与I0同相位。 在远区所产生的场为 如果 在远区所产生的场为 为两单元辐射场之间的相位差,第一项是由于天线位置引起的 相位差,第二项是由馈电电流引起的相位差. 则远区的总场为 可见，二元阵总场方向图由两部分相乘而得，第一部分与单元天线的方向图函数有关；第二部分称为阵因子，它与单元间距d、电流幅度比值m、相位差?和空间方向角?有关，与单元天线的型式无关。因此得方向图相乘原理：由相同单元天线组成的天线阵的方向图函数等于单元方向图函数与阵因子的乘积。 当m=1(电流幅度相等)时 当m=1(电流幅度相等)时,?=0(电流相位相同)时 当m=1(电流幅度相等)时,?=180°(电流相位相反)时 (****) 阵因子函数只与?角有关，与?角无关，说明阵因子方向图关于 阵轴旋转对称 根据不同单元间距和不同馈电相位差，可画出几个典型二元阵的阵因子方向图如图所示。 ■图(a)和(b)：为等幅同相情况，但间距不同。 当d=?/2时，两单元的远区辐射场在?=0,?方向上相干相位差?= ? ，场相互抵消；而在?=?/2, ?3/2方向上?=0，场增强,阵因子呈“8”字形。 当d=?时，两单元的远区辐射场在?=?/3,2?/3,4?/3,5?/3四个方向上相互抵消；而在?=0, ?/2,0,3?/2四个方向上增强。阵因子呈两个正交“8”字形的花瓣形状。 ■ 图(c)：其形状如心脏，我们称之为心脏形方向图。当间距d=?/4，馈电相位差为?=?/2,- ?/2 时阵因子就为心脏形方向图。其最大值方向指向电流滞后的那个单元的方向，该图是在 时得到的，说明I1的相位滞后于I0，所以最大值在单元I1的方向。若 ，说明I0的相位滞后于I1 ，此时方向图最大方向将指向I0的方向。 ■ 图(d)：为等幅反相情况，间距d=?/2，此时两单元的远区辐射场在?=0,?方向上增强；而在?=?/2, ? 3/2方向上则相互抵消。阵因子呈“∞”字形，但波瓣很胖。 对应图1-15(b)和(c)可绘出其三维方向图如图1-16所示。 典型二元阵的三维方向图 (a) 心脏形方向图 b) d=?的等幅同相二元阵方向图 2.三元天线阵 图1-15 假设 那么三元天线阵的辐射场为 给出m,?,d的值便可求出三元天线阵的方向图. 3.均匀直线式天线阵 均匀直线式天线阵指多个单元天线等间距排列在一条直线上，各单元的馈电幅度相等，相位均匀递变(递增或递减)。 设有一个N单元均匀直线阵，单元间距为d，如图所示。第n个单元到远区某点的距离为rn，激励电流为 N单元直线阵 天线阵在远区所产生的场强为 式中 整理后 阵因子为 则归一化阵因子为 阵因子有最大值的条件可写为 此式说明：均匀直线阵的阵因子最大辐射方向?m与单元间距d、相邻单元之间的馈电相位差?和工作频率(或波长)有关。若?d不变，改变?，可改变阵列辐射主瓣的指向，从而实现波束的电扫描，这就是相控阵的基本原理。 或者 由 可得归一化阵因子的另一个表达式 根据主瓣指向不同，均匀直线阵可分为侧射阵、端射阵和相控扫描阵三种情况，这里只讨论前两种情况。 1. 侧射式天线阵 指最大辐射方向为与天线阵轴线垂直的直线阵。当直线阵的各单元