第五讲 直线天线阵
合集下载
相关主题
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
天线 Antennas
第 5讲
直线天线阵
谢泽明
华南理工大学电子与信息学院 eezmxie@scut.edu.cn
Research Institute of Antennas & RF Techniques School of Electronic & Information Engineering
第5讲内容
在阵元相同的条件下, 天线阵的方向图函数是单元
South China University of Technology
因子与阵因子的乘积。这个特性称为方向图乘积 定理(pattern multiplication)。
元因子表示组成天线阵的阵元的方向图函数, 其值
仅取决于阵元本身的结构，体现了阵元的方向性 对天线阵方向性的影响。
k
2
South China University of Technology
[例4-1]画出两个平行于z 轴放置, 且沿x 方向排列 的半波振子, 在d=λ/4、ζ= −π/2时的H面和E面方向 图。 解: 将d=λ/4、ζ= −π/2 代入， j Ie 2 得到H面和E面方向图函数为 I FH ( ) cos[ (cos 1)] d
South China University of Technology
e jkr1 e jkr2 j E E 1 E 2 Em Felement ( , )[ e ] r1 r2 在远区，观察点M离天线足够远, 可认为自阵元1 和阵元2至点M的两射线平行。
对于相位因子，可取近似 r2 r1 d sin cos r1 d cos
I
d
South China University of Technology
4
Ie
j
2
=0 时，两个单元的场叠加，
辐射最大； =π时，场抵消， 辐射为零, 最大辐射方向为阵的 轴线，称为端射阵。
半波振子二元阵的H面方向图
Research Institute of Antennas & RF Techniques School of Electronic & Information Engineering
元因子表示组成天线阵的阵元的方向图函数, 其值
仅取决于阵元本身的结构，体现了阵元的方向性 对天线阵方向性的影响。
阵因子表示各向同性元所组成的天线阵的方向性,
其值取决于天线阵的排列方式及其阵元上激励电 流的相对振幅和相位, 与阵元本身的结构无关。
Research Institute of Antennas & RF Techniques School of Electronic & Information Engineering
阵因子表示各向同性元所组成的天线阵的方向性,
其值取决于天线阵的排列方式及其阵元上激励电 流的相对振幅和相位, 与阵元本身的结构无关。
Research Institute of Antennas & RF Techniques School of Electronic & Information Engineering
4 cos( cos ) 2 FE ( ) | cos (sin 1) | sin 4
4
Research Institute of Antennas & RF Techniques School of Electronic & Information Engineering
中心相距0.7波长，天线等幅同相激励，频率 100MHz，振子直径1cm，仿真方向图和增益。 解： 100MHz下波长为3m，半波长为1.5m，0.7波长 为2.1m。 建立FEKO模型，计算结果： 结论，组成后方向性增强，增益提高
Research Institute of Antennas & RF Techniques School of Electronic & Information Engineering
讨论：二元半波振子阵的E面和H面方向图函数与 单个半波振子的是不同的, 特别在H面, 由于单个半 波振子无方向性, 天线阵H面方向函数完全取决于 阵因子。 Research Institute of Antennas & RF Techniques
School of Electronic & Information Engineering
Felement ( , ) jkr1 E Em e [1 e jkd cos e j ] r1 2 Em jkr1 Felement ( , ) cos e r1 2
kd cos kd sin cos
所以, 二元阵的场强方向图函数为
South China University of Technology
天线阵概念 二元天线阵 均匀直线阵
Research Institute of Antennas & RF Techniques School of Electronic & Information Engineering
结论
在阵元相同的条件下, 天线阵的方向图函数是单元
South China University of Technology
因子与阵因子的乘积。这个特性称为方向图乘积 定理(pattern multiplication)。 F ( , ) Felement ( , ) f array ( , )
cos cos 2 cos F ( , ) sin 2
x
d
Research Institute of Antennas & RF Techniques School of Electronic & Information Engineering
分别令ϕ=0和θ=π/2, 即得二元阵天线的E 面和H面
天线阵按排列方式分：
South China University of Technology
ຫໍສະໝຸດ Baidu 线阵、圆阵、面阵
按馈电方式分： 并馈阵、串馈阵
按激励方式分：
相控阵、自适应阵列（智能天线） 相似元阵：每个阵元的结构和摆向相同的天线阵
列（阵元的方向图相同的阵列） 天线阵的课题： 组阵如何方向图和输入阻抗
F ( , ) Felement ( , ) f ( )
Felement ( , ) 是阵元的方向图函数，称为元因子。
f ( ) cos
2
是二元阵的贡献，称为阵因子。
Research Institute of Antennas & RF Techniques School of Electronic & Information Engineering
M z r1
沿x轴排列的两个相同的阵 元所组成。
两个阵元振幅相等、相位
r2
差为ζ（2相对于1）, 每个 阵元的方向函数为：Felement ( , ) 1 可以推导出，二元阵的方 d 向函数为： F ( , ) Felement ( , ) f array ( , )
j
d
2 x
E 2 Em Felement ( , )e
e
jkr2
r2
Research Institute of Antennas & RF Techniques School of Electronic & Information Engineering
将两者相加，得二元阵的辐射电场为：
cos =sin cos
对于分母
1 1 r1 r2
Research Institute of Antennas & RF Techniques School of Electronic & Information Engineering
于是
South China University of Technology
5.1 天线阵概念(antenna array）
天线阵：由若干天线按某种方式排列、并按照一
South China University of Technology
定规律激励所构成的系统 。 构成天线阵的天线称为辐射单元或阵元。 组阵目的：提高辐射性能、方便控制。
Research Institute of Antennas & RF Techniques School of Electronic & Information Engineering
半波振子二元阵
如果天线阵由两个沿x 轴排列且平行于z轴放置的
South China University of Technology
半波振子所组成, 阵元方向图为
cos cos 2 Felement ( , ) sin
M z
r1
r2
1
2
于是，半波振子二元阵的方向图为
Research Institute of Antennas & RF Techniques School of Electronic & Information Engineering
South China University of Technology
Research Institute of Antennas & RF Techniques School of Electronic & Information Engineering
其中阵因子：
2 x
1 f array ( , ) cos kd sin cos 2 Research Institute of Antennas & RF Techniques
School of Electronic & Information Engineering
推导过程：
二元天线阵是由间距为d，
South China University of Technology
沿x轴排列的两个相同的阵 元所组成。
两个阵元振幅相等、相位
M z r1
差为ζ, 各自的远区辐射电 场为
E 1 Em Felement ( , ) e
jkr1
r2
1
r1
South China University of Technology
方向图函数分别为
cos cos 1 2 d 2 FE ( ) cos ( sin ) sin 2
1 2 d FH ( ) cos ( cos ) 2
Research Institute of Antennas & RF Techniques School of Electronic & Information Engineering
仿真例子1：由两个半波振子排成直线，两个天线
South China University of Technology
典型天线阵图片
South China University of Technology
Research Institute of Antennas & RF Techniques School of Electronic & Information Engineering
South China University of Technology
仿真例子2：由4个半波振子排成直线，天线中心
South China University of Technology
相距0.7波长，天线等幅同相激励，频率100MHz ，振子直径1cm，仿真方向图和增益。 解： 100MHz下波长为3m，半波长为1.5m，0.7波长 为2.1m。 建立FEKO模型，计算结果：
结论，阵元增多后方向性进一步增强，增益进
一步提高
Research Institute of Antennas & RF Techniques School of Electronic & Information Engineering
5.2 二元天线阵
二元天线阵是由间距为d，
South China University of Technology
第 5讲
直线天线阵
谢泽明
华南理工大学电子与信息学院 eezmxie@scut.edu.cn
Research Institute of Antennas & RF Techniques School of Electronic & Information Engineering
第5讲内容
在阵元相同的条件下, 天线阵的方向图函数是单元
South China University of Technology
因子与阵因子的乘积。这个特性称为方向图乘积 定理(pattern multiplication)。
元因子表示组成天线阵的阵元的方向图函数, 其值
仅取决于阵元本身的结构，体现了阵元的方向性 对天线阵方向性的影响。
k
2
South China University of Technology
[例4-1]画出两个平行于z 轴放置, 且沿x 方向排列 的半波振子, 在d=λ/4、ζ= −π/2时的H面和E面方向 图。 解: 将d=λ/4、ζ= −π/2 代入， j Ie 2 得到H面和E面方向图函数为 I FH ( ) cos[ (cos 1)] d
South China University of Technology
e jkr1 e jkr2 j E E 1 E 2 Em Felement ( , )[ e ] r1 r2 在远区，观察点M离天线足够远, 可认为自阵元1 和阵元2至点M的两射线平行。
对于相位因子，可取近似 r2 r1 d sin cos r1 d cos
I
d
South China University of Technology
4
Ie
j
2
=0 时，两个单元的场叠加，
辐射最大； =π时，场抵消， 辐射为零, 最大辐射方向为阵的 轴线，称为端射阵。
半波振子二元阵的H面方向图
Research Institute of Antennas & RF Techniques School of Electronic & Information Engineering
元因子表示组成天线阵的阵元的方向图函数, 其值
仅取决于阵元本身的结构，体现了阵元的方向性 对天线阵方向性的影响。
阵因子表示各向同性元所组成的天线阵的方向性,
其值取决于天线阵的排列方式及其阵元上激励电 流的相对振幅和相位, 与阵元本身的结构无关。
Research Institute of Antennas & RF Techniques School of Electronic & Information Engineering
阵因子表示各向同性元所组成的天线阵的方向性,
其值取决于天线阵的排列方式及其阵元上激励电 流的相对振幅和相位, 与阵元本身的结构无关。
Research Institute of Antennas & RF Techniques School of Electronic & Information Engineering
4 cos( cos ) 2 FE ( ) | cos (sin 1) | sin 4
4
Research Institute of Antennas & RF Techniques School of Electronic & Information Engineering
中心相距0.7波长，天线等幅同相激励，频率 100MHz，振子直径1cm，仿真方向图和增益。 解： 100MHz下波长为3m，半波长为1.5m，0.7波长 为2.1m。 建立FEKO模型，计算结果： 结论，组成后方向性增强，增益提高
Research Institute of Antennas & RF Techniques School of Electronic & Information Engineering
讨论：二元半波振子阵的E面和H面方向图函数与 单个半波振子的是不同的, 特别在H面, 由于单个半 波振子无方向性, 天线阵H面方向函数完全取决于 阵因子。 Research Institute of Antennas & RF Techniques
School of Electronic & Information Engineering
Felement ( , ) jkr1 E Em e [1 e jkd cos e j ] r1 2 Em jkr1 Felement ( , ) cos e r1 2
kd cos kd sin cos
所以, 二元阵的场强方向图函数为
South China University of Technology
天线阵概念 二元天线阵 均匀直线阵
Research Institute of Antennas & RF Techniques School of Electronic & Information Engineering
结论
在阵元相同的条件下, 天线阵的方向图函数是单元
South China University of Technology
因子与阵因子的乘积。这个特性称为方向图乘积 定理(pattern multiplication)。 F ( , ) Felement ( , ) f array ( , )
cos cos 2 cos F ( , ) sin 2
x
d
Research Institute of Antennas & RF Techniques School of Electronic & Information Engineering
分别令ϕ=0和θ=π/2, 即得二元阵天线的E 面和H面
天线阵按排列方式分：
South China University of Technology
ຫໍສະໝຸດ Baidu 线阵、圆阵、面阵
按馈电方式分： 并馈阵、串馈阵
按激励方式分：
相控阵、自适应阵列（智能天线） 相似元阵：每个阵元的结构和摆向相同的天线阵
列（阵元的方向图相同的阵列） 天线阵的课题： 组阵如何方向图和输入阻抗
F ( , ) Felement ( , ) f ( )
Felement ( , ) 是阵元的方向图函数，称为元因子。
f ( ) cos
2
是二元阵的贡献，称为阵因子。
Research Institute of Antennas & RF Techniques School of Electronic & Information Engineering
M z r1
沿x轴排列的两个相同的阵 元所组成。
两个阵元振幅相等、相位
r2
差为ζ（2相对于1）, 每个 阵元的方向函数为：Felement ( , ) 1 可以推导出，二元阵的方 d 向函数为： F ( , ) Felement ( , ) f array ( , )
j
d
2 x
E 2 Em Felement ( , )e
e
jkr2
r2
Research Institute of Antennas & RF Techniques School of Electronic & Information Engineering
将两者相加，得二元阵的辐射电场为：
cos =sin cos
对于分母
1 1 r1 r2
Research Institute of Antennas & RF Techniques School of Electronic & Information Engineering
于是
South China University of Technology
5.1 天线阵概念(antenna array）
天线阵：由若干天线按某种方式排列、并按照一
South China University of Technology
定规律激励所构成的系统 。 构成天线阵的天线称为辐射单元或阵元。 组阵目的：提高辐射性能、方便控制。
Research Institute of Antennas & RF Techniques School of Electronic & Information Engineering
半波振子二元阵
如果天线阵由两个沿x 轴排列且平行于z轴放置的
South China University of Technology
半波振子所组成, 阵元方向图为
cos cos 2 Felement ( , ) sin
M z
r1
r2
1
2
于是，半波振子二元阵的方向图为
Research Institute of Antennas & RF Techniques School of Electronic & Information Engineering
South China University of Technology
Research Institute of Antennas & RF Techniques School of Electronic & Information Engineering
其中阵因子：
2 x
1 f array ( , ) cos kd sin cos 2 Research Institute of Antennas & RF Techniques
School of Electronic & Information Engineering
推导过程：
二元天线阵是由间距为d，
South China University of Technology
沿x轴排列的两个相同的阵 元所组成。
两个阵元振幅相等、相位
M z r1
差为ζ, 各自的远区辐射电 场为
E 1 Em Felement ( , ) e
jkr1
r2
1
r1
South China University of Technology
方向图函数分别为
cos cos 1 2 d 2 FE ( ) cos ( sin ) sin 2
1 2 d FH ( ) cos ( cos ) 2
Research Institute of Antennas & RF Techniques School of Electronic & Information Engineering
仿真例子1：由两个半波振子排成直线，两个天线
South China University of Technology
典型天线阵图片
South China University of Technology
Research Institute of Antennas & RF Techniques School of Electronic & Information Engineering
South China University of Technology
仿真例子2：由4个半波振子排成直线，天线中心
South China University of Technology
相距0.7波长，天线等幅同相激励，频率100MHz ，振子直径1cm，仿真方向图和增益。 解： 100MHz下波长为3m，半波长为1.5m，0.7波长 为2.1m。 建立FEKO模型，计算结果：
结论，阵元增多后方向性进一步增强，增益进
一步提高
Research Institute of Antennas & RF Techniques School of Electronic & Information Engineering
5.2 二元天线阵
二元天线阵是由间距为d，
South China University of Technology