HFSS天线设计高级培训教程第一章天线的方向图2

HFSS天线设计高级培训教程第一章天线的方向图2 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。 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。 1.5.1 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 1-14 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。 图 1-14 二元阵及坐标系 不失一般性，设天线单元为对称振子，它们在远区某点产生的电场分别为 ψ 为两单元辐射场之间的相干相位差，由波程差和馈电相位差合成。 由式(1.93)可见，二元阵总场方向图由两部分相乘而得，第一部分 0 ( , ) f θ ϕ 为 单元天线的方向图函数；第二部分 ( , ) fa θ ϕ 称为阵因子，它与单元间距 d、电流 幅度比值 m、相位差α 和空间方向角θ 有关，与单元天线无关。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。 此图结果由式(1.96)编程计算所得。人工画图方法如下： (1) 找最大值：例如图(b)，在θ = 0 ~ 2π 内，最大值出现在 o o o 0 , 90 ,180 ,270 θ m = o o (2) 找零点：对图(b)，方向图零点出现在 。 o o o 0 60 ,120 , 240 , 300 θ = 这种方法可画出大致的方向图图形。由这几个典型的二元阵方向图可看出， 改变单元间距和馈电相位差，可得到不同形状的二元阵方向图。希望能记住或熟 练地画出这几个典型的二元阵方向图。 ■ 图(a)和(b)：为等幅同相情况，但间距不同。 当d = λ / 2时，两单元的远区辐射场在θ = 0,π 方向上相干相位差ψ = π ，场 相互抵消；而在θ = π / 2, 3π / 2方向上ψ = 0，场增强。阵因子呈“8”字形。 当d = λ 时，两单元的远区辐射场在 / 3, 2 / 3, 4 / 3, 5 / 3 θ πππ π = 四个方向上相 互抵消；而在 0, / 2, , 3 / 2 θ π π π = 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 = λ / 4，馈电相 位差为α = ±π / 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 j / 2 I I 1 0e π = − I1的相位滞后于 I0， 所以最大值在单元 I1的方向。若 j / 2 I1 0 = I e π ，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 = λ / 2，此时两单元的远区辐射场在θ = 0,π 方向上增强；而在θ = π / 2, 3π / 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 1.5.2 共轴和平行排列的对称振子二元阵 对称振子天线组成的二元阵，其排列方式通常有两种，如下图 1-17 所示， 并建立坐标系。为了使对称振子单元天线的方向图函数表示与前面的相同，可选 天线轴为 z 轴。组成二元阵的对称振子单元一般为半波振子 共轴排列的二元阵方向图是关于 z 轴旋转对称的。而平行排列的二元阵方向 图不再关于 z 轴旋转对称。我们可用 E 面和 H 面来描述总方向图。 【例 1.4】设半波振子二元阵的间距为 d = λ / 4 ，馈电相位差为α = π / 2 / 2 ，即 。由方向图相乘原理画出平行排列的二元阵 E 面( j / 2 I I 2 1e π = − ϕ = π )和 H 面 (θ = π / 2 )方向图。 解：此时图 1-17(b)所示二元阵的阵因子方向图为心脏形，最大值方向为正 y 轴 方向。其 E 面为 yz 平面。 (1) E 面(yz 面，ϕ = π / 2 )方向图