阵列天线ppt课件
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阵列天线
1
二
[r12 r1[1
2r1d sin d
2 sin
cos cos
d (
2 ]2 d )2
1
]2
dr1sin cos r1
r1(1
)
r1
以二元阵为例
r1 dsin cos
z
M
如图: 天线阵间距
d
;
r1
沿x轴排列;
2
半波振子:
r2
h 2 h 2h
2
1
d
2
x
天线元2电流相位超
4
2
H面方向图(xoy平面)为:
例三:(2) E面方向图(zoy平面)为:
三、均匀直线阵
❖ 定义:均匀直线阵是等间距、 各阵元电流的幅度、相位依 次等量递减（相位差为 ）
的直 线阵.
❖ N元均匀直线阵的辐射场：
❖ 推导：
E
Em r
N1
F(, ) e jkr e ji( kdsin cos)
例一(1)： （等幅同相）
半波阵子,沿x轴,间距d 等幅同相 0
2
例一(2)： （等幅同相）
➢ 由上图可知，
0, FH () 0
2
,
FH
()
1
所以，最大辐射方向在垂直于阵子轴方向的 N元均匀直线阵----边射阵。
例二（1）: （等幅反向 ）
例二（2）：
➢ 由上图可知，
0, FH() 1
i0
Em e jkr F(, ) 1 e j e j2 L e j( N1) r
其中，( kdsin cos )
令 2，得到H平面方向函数（归一化阵因子表达式）：
例：五元均匀直线阵：
阵列天线PPT课件
.
35
N元非等幅均匀阵列
• 阵因子比较 • 二项式分布阵列 • 多尔夫-切比雪夫多项式阵列 • 泰勒分布阵列
.
36
N元非等幅均匀阵列
• 阵因子比较 • 二项式分布阵列 • 多尔夫-切比雪夫多项式阵列 • 泰勒分布阵列
.
37
阵因子
• 均匀幅值阵列具有最小的半功率波束宽度 • 二项式分布幅值阵列能够实现最小的副瓣电平 • 二项式分布幅值阵列单元间距小于半波长时，副瓣
.
N元等幅均匀线阵
求解最大值点：
阵列存在唯一的一个最大值点，即m=0 求解阵因子的3dB波束点：
.
线阵实例 1: 侧射阵
• 波束最大指向θ0=90°（线阵沿Z轴），当单元 的波束最大指向和阵因子的最大波束指向均指向 θ0=90°时，便可达到最佳的侧射阵。 • 对于单元天线的波束指向要求，可以通过选择 合适的辐射单元来满足要求 • 对于阵因子的波束指向要求，可以通过合理的 调整阵列单元间的间距、每个单元的相位激励实 现。
.
N元非等幅均匀阵列
• 阵因子比较 • 二项式分布阵列 • 多尔夫-切比雪夫多项式泰勒线阵—线源激励计算
线源激励幅度的分布为
i1
Ii (p)12 Sn(m)com s()p m1
1
m0
Sn(m)＝(i1[m (i )1!(i)!]21m)!ii1112A2m (2i12)2 0mi
➢在每个天线单元的馈端 以及电缆的公共馈端处各 接入一个开关 ➢控制联动开关可使波束 从边射移到45°方向
.
相控阵
➢ 每个阵列单元都有移相器和衰减器，所有馈电 电缆都布置成等长度的组合结构
.
相控阵
➢端馈相控阵也需要逐个单元配有移相器和衰减 器，由于在单元之间引入了递进的相位移，随着 频率的变化，在额定的相位移之外，还需要附加 相反的相位变化作为补偿
天线工程设计基础课件：阵列天线
性，根据电磁波在空间相互干涉的原理，把具有相同结构、
相同尺寸的某种基本天线按一定规律排列在一起，并通过适
当的激励达到预定的辐射特性，这种多个辐射源的结构称为
阵列天线。根据天线阵列单元的排列形式，阵列天线可以分
为直线阵列、平面阵列和共形阵列等。
阵列天线
直线阵列和平面阵列形式的天线常作为扫描阵列，使其主波
波束最大值方向，则
阵列天线
6. 2. 2 天线阵的分析
1. 均匀线阵的分析
相邻辐射元之间距离相等，所有辐射元的激励幅度相同，
相邻辐射元的激励相位恒定的线阵就是均匀线阵，如图 6.2所示。列天线图 6.2 均匀线阵
阵列天线
1 )均匀线阵方向图
若 n 个辐射元均匀分布在 z 轴上，这时单元的位置坐标
向图函数。当阵列单元相同时， f n (θ ， ϕ ) = f ( θ ， ϕ )，
对于均匀直线阵有 I n = I 0 ，上式可化为
阵列天线
其中
阵列天线
式(6－62 )为方向图乘积原理，即阵列天线的方向图函
数等于阵列单元方向图函数与阵列因子的乘积。 S (θ ， ϕ )
称为阵列因子方向图函数，它和单元数目、间距、激励幅度
单元共轴排列所组成的直线阵，阵列中相邻单元的间距均为
d ，设第 n 个单元的激励电流为 I n ej β n ，通过将每个阵列
单元与一个移相器相连接，使电流相位依次滞后 α ，
阵列天线
将单元 0 的相位作为参考相位，则 βn =nα 。由几何关系可
知，当波束扫描角为 θ 时，各相邻单元因空间波程差所引起
瓣指向空间的任一方向。当考虑到空气动力学以及减小阵列
天线的雷达散射截面等方面的要求时，需要阵列天线与某些
相控阵天线 ppt课件
50 ohms
朝前: 10W 返回: 0.5W
80 ohms
9.5 W
当传输线的特性阻抗Ｚ。天线的输入阻抗Ｚ
（Ｚ -Ｚ。) 反射系数Γ＝ --------------------
（Ｚ （ 1+Γ）
驻波系数Ｓ＝------------（1-Γ）
终端负载阻抗和特性阻抗越接近，反射系
数越小，驻波系数越接近于１，匹配也就
无源相控阵仅有一 个中央发射机和一 个接收机，发射机 产生的高频能量经 过计算机自动分配 给天线阵的各个辐 射器，目标反射信 号经接收机统一放 大
天线和馈线的连接端，即馈电点两端感应的信 号电压与信号电流之比，称为天线的输入阻抗Z
当馈线和天线匹配时，高频能量全部被负载吸收，馈线上只有 入射波，没有反射波。
而当天线和馈线不匹配时，也就是天线阻抗不等于馈线特性阻 抗时，负载就不能全部将馈线上传输的高频能量吸收，而只能吸收 部分能量。入射波的一部分能量反射回来形成反射波。
6dBd 25
1 天线的基本结构及工作原理 2 天线的阻抗匹配 3 天线的极化方式 4 天线的辐射方向图 5 天线的增益 6 相控阵的基本模型
不下倾
电调下倾
机械下倾
电下倾的产生
无下倾时
在馈电网络中 路径长度相等
有下倾时
在馈电网络中 路径长度不相等
常规天线
电调天线
对于间隔排列为d的N个单元阵列，当 相邻单元的相位呈等相均匀分布时， 天线最大波束形成于法向正前方。
越好。Biblioteka 1 天线的基本结构及工作原理 2 天线的阻抗匹配 3 天线的极化方式 4 天线的辐射方向图 5 天线的增益 6 相控阵的基本模型
天线的极化就是指天线辐射时形成的电场强度 方向：垂直，水平，+45，-45
《微波与天线》PPT课件
8.2 阵列天线
多个天线按一定方式排列所构成的系统称为天线阵,分为直线阵(超级链接)、平面阵（超 级链接）、立体阵和园环阵（超级链接）等。目前该技术的最新应用：3G移动通信上的智能 天线和相控阵天线。
1. 二元阵的辐射场
设天线阵是由间距为d并沿x轴排列的两个相同的天线元所组成, 如图下图所示。 假设天线元的电流振幅相等, 但天线元2的电流相位超前天线元1的角度为ζ, 它们 的远区电场是沿θ方向的, 于是有：
z
r′
h dz
z
r
Im h
图 8- 1 细振子的辐射
图 8 – 2 开路传输线与对称振子
令振子沿z轴放置（图 8 - 1）, 其上的电流分布为 I(z)=Imsinβ(h-|z|)………………………..(第一章开路线的结论)
式中, β为相移常数, β=k= 的贡献为
在距中心2点为z处取电流元段dz, 则它对远区场 0 c
3） 主瓣宽度 当N很大时, 头两个零点之间的主瓣宽度可近似确定。令ψ01表示
第一个零点, 实际就是令上式中的m=1, 则
01
2 N
4) 旁瓣方位 旁瓣是次极大值, 它们发生在：
sin N 1 处，即
2
N (2m 1) ................(m 1,2,3,...)
2
2
第一旁瓣发生在m=1 即 ψ=±3π/N方向。
RΣ=73.1 (Ω) (与75欧同轴线几乎匹配) 将F（θ）代入式（6 -3 -8）得半波振子的方向系数:
D=1.64
(8 -1 -11)
方向图的主瓣宽度等于方程:
cos( cos )
F( ) 2
1
sin
2
（0°＜θ＜180°的两个解之间的夹角 ）
阵列天线
切比雪夫多项式阵列
阵列单元个数无论奇偶， 都可以写成 cosine 函数相 加的形式，这和推导出的 切比雪夫多项式具有很大 的相似性，那么未知的阵 列单元激励幅值就可以通 过已知的切比雪夫多项式 系数来近似确定。
切比雪夫多项式阵列
单元个数为2M或者2M+1，单元间距为d，第一旁瓣的旁 瓣电平为R0，切比雪夫阵列的设计流程：
阵因子
2M
2M+1
阵因子
幅值分布关于原点对称，则偶数单元阵列的阵因子
奇数单元阵列的阵因子
AF 2 M an cos2n 1u
n 1
M
d AF 2 M 1 an cos2n 1u ， 其中u cos n 1
M 1
N元非等幅均匀阵列
线阵实例 2: 常规端射阵
方向性系数：
线阵实例 2: 常规端射阵
线阵实例 3: 汉森-伍德亚德端射阵
为了提高常规端射阵的方向性系数，且不影 响阵列的其他特性，汉森和伍德亚德提出了附加 条件来提高方向性系数：
对于大型阵列， N足够大
具有比常规端射阵更高的方向性系数
线阵实例 3: 汉森-伍德亚德端射阵
55
相控阵
• 相控阵是指由大量配相单元组成的阵列 • 每个单元的相位 ( 和幅度 ) 可变，借以控制波束方 向，以及包括旁瓣的波瓣图形状 • 相控阵能瞬时形成波束，通过适当的馈电网络可 以同时形成多个波束
相控阵
• 波束形成时，无需旋转天线阵列，因此不存 在机械问题和惯性问题
• 在某固定频率或确定的频带宽度上实现波束 控制的非频变性
5
二元阵列
忽略单元间互耦，远场电场值计算如下：
二元阵列
二元阵列
第十六讲_阵列天线
项消失
n=0
均匀直线阵
阵列方向函数的幅度：
Nϕ sin 2 fα (α ) = ϕ sin 2
fα (α ) max Nϕ sin 2 = =N ϕ sin 2 ϕ =0
Fα (α ) max
Nϕ N sin sin (ψ + kd cos α ) 1 2 = 1 2 = N N ϕ 1 sin sin ψ + kd cos α 2 2
2、
π
d=λ
fα (α ) = 2 cos ψ + kd cos α） 2 （ /
π 2π d = 2 cos （ + cos α）= 2 cos （ + π cos α） 4 λ2 4
π
均匀直线阵
1、定义：N个阵列单元以相同的间距排列在一条直线上构成 的阵列。若阵列单元的激励幅度相等相位依次等幅递增，称 为N元直线阵列。 N 2 1 2、阵列方向函数： ϕ = ψ + kd cos α E1 = E1m I1 jnψ E n = E1e jnψ e jknd cosα = E1e jnϕ I n = I1e
= E1m F(α ) fα (α ) E=E1 + E 2
= E1m f阵列
方向图乘积定理：f阵列 = F(α ) fα (α )
阵元相似性：天线形式一致，辐射场形式一致 阵列单元辐射场的坐标要和阵列一致 方向图乘积定理可以推广到多元阵列 阵列单元不同：幅度和相位以及排列位置 阵列因子
F(α ) =1 f阵列 fα (α ) →
总的辐射方向函数为：
F总 =F(θ )fα x (α ) fα z (θ ) 3 sin (ψ + kd cos α ) 2 = sinθ sin ( k2h cos θ ) sin ( kh cos θ ) )
n=0
均匀直线阵
阵列方向函数的幅度：
Nϕ sin 2 fα (α ) = ϕ sin 2
fα (α ) max Nϕ sin 2 = =N ϕ sin 2 ϕ =0
Fα (α ) max
Nϕ N sin sin (ψ + kd cos α ) 1 2 = 1 2 = N N ϕ 1 sin sin ψ + kd cos α 2 2
2、
π
d=λ
fα (α ) = 2 cos ψ + kd cos α） 2 （ /
π 2π d = 2 cos （ + cos α）= 2 cos （ + π cos α） 4 λ2 4
π
均匀直线阵
1、定义：N个阵列单元以相同的间距排列在一条直线上构成 的阵列。若阵列单元的激励幅度相等相位依次等幅递增，称 为N元直线阵列。 N 2 1 2、阵列方向函数： ϕ = ψ + kd cos α E1 = E1m I1 jnψ E n = E1e jnψ e jknd cosα = E1e jnϕ I n = I1e
= E1m F(α ) fα (α ) E=E1 + E 2
= E1m f阵列
方向图乘积定理：f阵列 = F(α ) fα (α )
阵元相似性：天线形式一致，辐射场形式一致 阵列单元辐射场的坐标要和阵列一致 方向图乘积定理可以推广到多元阵列 阵列单元不同：幅度和相位以及排列位置 阵列因子
F(α ) =1 f阵列 fα (α ) →
总的辐射方向函数为：
F总 =F(θ )fα x (α ) fα z (θ ) 3 sin (ψ + kd cos α ) 2 = sinθ sin ( k2h cos θ ) sin ( kh cos θ ) )
天线技术天线技术(第七部分 天线阵列)5.7 第七章 天线阵列
图 天线阵的H面方向图
§4.7.1 天线阵的方向性
FE ( )
cos( cos )
2 sin
cos
4
(cos
1)
图 天线阵的 E面方向图
§4.7.2 天线阵的阻抗
当两个以上的天线排阵时，某一单元天线除受本 身电流产生的电磁场作用之外，还要受到阵中其它天 线上的电流产生的电磁场作用。有别于单个天线被置 于自由空间的情况，这种电磁耦合（或感应）的结果 将会导致每个单元天线的电流和阻抗都要发生变化。 此时，可以认为单元天线的阻抗由两部分组成，即一 部分是不考虑相互耦合影响时本身的阻抗，称为自阻 抗；另一部分是由相互感应作用而产生的阻抗，称为 互阻抗。对于对称振子阵，互阻抗可以利用感应电动 势法比较精确地求出。
R1 y
x
(a) 纵向二元阵
§4.7.1 天线阵的方向性
E
E1
E2
60I m1 r
fe , e jkr1 1 me j d cos
E1 1 me j d cos
E1 fa ,
天线阵因子
推广——天线阵的方向函数为 ：
Prf 1
1 2
I *m1U1
U1 I Z m1 11 Im1Z12
Prf 2
1 2
I
* m
2U
2
U 2 Im2Z22 Im2Z21
Zr1 Z11 Z12
Zr2 Z22 Z21
Z12
I m2 I m1
Z12
Z 21
I m1 Im2
Z 21
U1 Im1Z11 Im2Z 12
相控阵天线 ppt课件
电场
磁场
电场 电波传输方向
磁场
电场
1 天线的基本结构及工作原理 2 天线的阻抗匹配 3 天线的极化方式 4 天线的辐射方向图 5 天线的增益 6 相控阵的基本模型
无限长传输线上各点电压与电流的比值等于特 性阻抗，用符号Ｚ。表示
通常Ｚ。=50欧姆
馈线特性阻抗与导体直径、导体间距和导体间 介质的介电常数有关，与馈线长短、工作频率 以及馈线终端所接负载阻抗大小无关。
50 ohms
朝前 W
当传输线的特性阻抗Ｚ。天线的输入阻抗Ｚ
（Ｚ -Ｚ。) 反射系数Γ＝ --------------------
（Ｚ （ 1+Γ）
驻波系数Ｓ＝------------（1-Γ）
终端负载阻抗和特性阻抗越接近，反射系
数越小，驻波系数越接近于１，匹配也就
无源相控阵仅有一 个中央发射机和一 个接收机，发射机 产生的高频能量经 过计算机自动分配 给天线阵的各个辐 射器，目标反射信 号经接收机统一放 大
当相邻单元的相位依次相差Φ时，最大 波束形成于θ0空间方向。
2λ πd•sin0
d sin
d
d
0
2
k
0
12
k
0
si
n 1
d2/
(N－ 1)
N－ 1
移相器是电调天线的重要组成 部分，它通过调节馈电网络的 长度来改变各振子馈电相位， 实现天线波束下倾
有源相控阵的每个 辐射器都配装有一 个发射/接收组件， 每个组件都能自己 产生，接收电磁波， 因此在频宽，信号 处理和冗度设计上 都比无源相控阵具 有较大的优势
越好。
1 天线的基本结构及工作原理 2 天线的阻抗匹配 3 天线的极化方式 4 天线的辐射方向图 5 天线的增益 6 相控阵的基本模型
磁场
电场 电波传输方向
磁场
电场
1 天线的基本结构及工作原理 2 天线的阻抗匹配 3 天线的极化方式 4 天线的辐射方向图 5 天线的增益 6 相控阵的基本模型
无限长传输线上各点电压与电流的比值等于特 性阻抗，用符号Ｚ。表示
通常Ｚ。=50欧姆
馈线特性阻抗与导体直径、导体间距和导体间 介质的介电常数有关，与馈线长短、工作频率 以及馈线终端所接负载阻抗大小无关。
50 ohms
朝前 W
当传输线的特性阻抗Ｚ。天线的输入阻抗Ｚ
（Ｚ -Ｚ。) 反射系数Γ＝ --------------------
（Ｚ （ 1+Γ）
驻波系数Ｓ＝------------（1-Γ）
终端负载阻抗和特性阻抗越接近，反射系
数越小，驻波系数越接近于１，匹配也就
无源相控阵仅有一 个中央发射机和一 个接收机，发射机 产生的高频能量经 过计算机自动分配 给天线阵的各个辐 射器，目标反射信 号经接收机统一放 大
当相邻单元的相位依次相差Φ时，最大 波束形成于θ0空间方向。
2λ πd•sin0
d sin
d
d
0
2
k
0
12
k
0
si
n 1
d2/
(N－ 1)
N－ 1
移相器是电调天线的重要组成 部分，它通过调节馈电网络的 长度来改变各振子馈电相位， 实现天线波束下倾
有源相控阵的每个 辐射器都配装有一 个发射/接收组件， 每个组件都能自己 产生，接收电磁波， 因此在频宽，信号 处理和冗度设计上 都比无源相控阵具 有较大的优势
越好。
1 天线的基本结构及工作原理 2 天线的阻抗匹配 3 天线的极化方式 4 天线的辐射方向图 5 天线的增益 6 相控阵的基本模型
阵列天线PPT课件
对于半波阵子来说:
已推得:
h 2 h 2h
2
z E
0 时,E面方向图(zox平面):
x
FE
cos cos 2
cos 1 ( kdsin )
sin
22
第7页/共27页
y
0 2
时,
H面方向图(xoy平面):
o
x
FH ()
cos
1 2
kdcos 2
结论:
二元阵的E面和H面的方向图函数与单个半波阵子是不同的; 由于在xoy平面上的全方向性,所以只考虑H面(阵因子)即可. H面方向图即为它的正方向图,可计算得到正因子方向函数.
---阵因子:表示各向同性元组成的天线元的方 向性,其值取决于天线阵的排列方式和及其 天线元上激励电流的相对振幅和相位.与天 线元本身的类型和尺寸无关.
第5页/共27页
天线方向图乘积定理:
在各天线元为相似元的条件下,天线 图的乘积函数是单元因子和天线阵因子 之积.
F(, ) cos 2
第6页/共27页
❖ 天线阵的辐射场: 由天线元所产生的矢量场叠加,其上的电流振幅和相位分布 满足适当的关系得到. (相似元:各阵元的形状与尺寸相同,相同姿态排列)
第1页/共27页
1
r2 [(r1 sin cos d)2 r12 sin2 sin2 r12 cos2 ]2
1
二
[r以12
r1[1
二22r1ddss元iinn 阵ccooss 为 d(例2d])22
谢谢您的观看！
第27页/共27页
等幅同相半波阵子沿x轴间距等幅同相等幅同相由上图可知所以最大辐射方向在垂直于阵子轴方向的n元均匀直线阵边射阵由上图可知所以最大辐射方向在阵子轴的方向的n元均匀直最大辐射方向在阵子轴方向的原因
天线基本知识PPT课件
天线的主要电参数
１对单极化天线
方向图 增益 输入阻抗（电压驻波比） 极化 带宽 功率容量 3阶无源互调（PIM）
2 对双极化天线
除具有单极化天线的电参数 外还具有
隔离度
交叉极化比
2021
48
天线的方向图
把天线在空间辐射强度随方位、俯仰角度分布 的曲线图形叫天线方图。
天线方向图通常是一个三维空间的曲面图形。 为了表示方便起见，在工程中常用归一化方向图。
自适应天线是一种控制反馈系统它根据一定的准则采用应天线是一种控制反馈系统它根据一定的准则采用数字信号处理技术形成天线阵列的加权向量通过对接数字信号处理技术形成天线阵列的加权向量通过对接收到的信号进行加权合并在有用信号方向上形成主波收到的信号进行加权合并在有用信号方向上形成主波束而在干扰方向上形成零陷从而提高信号的输出信束而在干扰方向上形成零陷从而提高信号的输出信多波束天线采用多个波束覆盖整个用户区每个波束的多波束天线采用多个波束覆盖整个用户区每个波束的指向固定波束宽度随天线阵元数目的确定而确定系指向固定波束宽度随天线阵元数目的确定而确定系统根据用户的空间位臵选取相应的波束使接收的信号统根据用户的空间位臵选取相应的波束使接收的信号最佳
对无线通信系统也同样是这样。再先进的基站通信设 备，没有好的天线，也无法发挥优良的性能。可见天线是 无线通信系统的重要组成部分。
2021
43
天线的作用
将传输线中的高频电磁能量转成为自由空间的电磁波 ，或反之将自由空间中的电磁波转化为传输线中的高频电 磁能。因此，要了解天线的特性就必然需要了解自由空间 中的电磁波及高频传输线的一些相关的知识。
2021
22
E(r,,)
若天线辐射的电场强度为
把电场强E(r度,,（)绝6对0f值(,）) 写成
天线PPT课件(完整版)
磁场：
kI0l sin 1 1 jkr H j 1 e 4 r jkr
§1.2 电基本振子
对于电场：
1 1 E jA j A H j
电场：
I 0l cos 1 1 jkr Er 1 e 2 2 r jkr kI 0l sin 1 1 1 jkr E j 1 e 2 4 r jkr kr E 0
2 A k A J A j J A j
2
洛伦兹条件：
A j
1 j
A
2 A k A J
2
1 E jA jA j A
kr 1
近区场辐射功率密度：
1 1 ˆE H ˆE H Wav Re E H Re r r 2 2
2 2 1 I 0l sin ˆ I 0l sin cos ˆj Wav Re r j 0 5 2 5 2 k 4 r k 8 r
7
天线发展简史
三、1980, 超大阵列（VLA）抛物面天线（Very Large Array Steerable Parabolic Dish Antennas） 位于美国新墨西哥州（Socorro, New Mexico）的超大阵 列天线由27面直径为25米的抛物面按Y型方式排列组成，是 世界第一个射电天文望远镜。其分辨率相当于36千米跨度的 天线，而灵敏度相当于直径为130米的碟型天线。
波阻抗：
kr 1
Zw E H
固有阻抗：
120 377
天线基础知识(全)PPT课件
• 这时出现了分析天线公差的统计理论，发展了天线阵列的综合 理论等。
• 1957年美国研制成第一部靶场精密跟踪雷达AN/FPS-16，随后各 种单脉冲天线相继出现，同时频率扫描天线也付诸应用。
• 在50年代，宽频带天线的研究有所突破，产生了非频变天线理 论，出现了等角螺旋天线、对数周期天线等宽频带或超宽频带 天线。
主 编：John D. Kraus
出版社：the McGraw-Hill Companies 出版时间：2002
《天线》
编著：[美]John D.Kraus Ronald J. Marhefka
出版社：电子工业出版社 2004年4月 第一版
《Radio Propagation for Modern Wireless Systems》
最早的天线
最早的发射天线是赫兹在1887年为了验证麦克斯韦根据理论推导所 作关于存在电磁波的预言而设计的。它是两个约为30厘米长、位于 一直线上的金属杆，其远离的两端分别与两个约40厘米2的正方形金 属板相连接，靠近的两端分别连接两个金属球并接到一个感应线圈 的两端，利用金属球之间的火花放电来产生振荡。当时，赫兹用的 接收天线是单圈金属方形环状天线，根据方环端点之间空隙出现火 花来指示收到了信号。
3/25/2020
17
Dept.PEE Hefei Normal
面天线时期：1930-1945
• 虽然早在1888年赫兹就首先使用了抛物柱面天线，但由于没有相应的振荡 源，一直到30年代才随着微波电子管的出现陆续研制出各种面天线。这时 已有类比于声学方法的喇叭天线、类比于光学方法的抛物反射面天线和透 镜天线等。这些天线利用波的扩散、干涉、反射、折射和聚焦等原理获得 窄波束和高增益。
天线的方向性
• 1957年美国研制成第一部靶场精密跟踪雷达AN/FPS-16，随后各 种单脉冲天线相继出现，同时频率扫描天线也付诸应用。
• 在50年代，宽频带天线的研究有所突破，产生了非频变天线理 论，出现了等角螺旋天线、对数周期天线等宽频带或超宽频带 天线。
主 编：John D. Kraus
出版社：the McGraw-Hill Companies 出版时间：2002
《天线》
编著：[美]John D.Kraus Ronald J. Marhefka
出版社：电子工业出版社 2004年4月 第一版
《Radio Propagation for Modern Wireless Systems》
最早的天线
最早的发射天线是赫兹在1887年为了验证麦克斯韦根据理论推导所 作关于存在电磁波的预言而设计的。它是两个约为30厘米长、位于 一直线上的金属杆，其远离的两端分别与两个约40厘米2的正方形金 属板相连接，靠近的两端分别连接两个金属球并接到一个感应线圈 的两端，利用金属球之间的火花放电来产生振荡。当时，赫兹用的 接收天线是单圈金属方形环状天线，根据方环端点之间空隙出现火 花来指示收到了信号。
3/25/2020
17
Dept.PEE Hefei Normal
面天线时期：1930-1945
• 虽然早在1888年赫兹就首先使用了抛物柱面天线，但由于没有相应的振荡 源，一直到30年代才随着微波电子管的出现陆续研制出各种面天线。这时 已有类比于声学方法的喇叭天线、类比于光学方法的抛物反射面天线和透 镜天线等。这些天线利用波的扩散、干涉、反射、折射和聚焦等原理获得 窄波束和高增益。
天线的方向性
《型平板天线阵》课件
集成化与小型化
随着微电子技术和新材料的发展，型平板天线阵 将进一步实现集成化和小型化，方便携带和部署 。
型平板天线阵的市场前景
5G和6G通信
01
随着5G和6G通信技术的普及，型平板天线阵将在移动通信领域
发挥重要作用，满足高速数据传输和低延迟的需求。
卫星通信
02
在卫星通信领域，型平板天线阵将应用于地面站和卫星之间的
。
PART 03
型平板天线阵的设计与实 现
型平板天线阵的设计方法
确定设计目标
明确天线阵的用途，例如，用于通信 、雷达、导航等。
选择合适的平板天线单元
根据设计目标，选择具有高辐射效率 、低交叉极化、低成本等特性的平板 Nhomakorabea天线单元。
确定阵列排布方式
根据应用需求，选择合适的阵列排布 方式，如直线阵、平面阵、立体阵等 。
通信，提供更稳定和高效的数据传输。
军事应用
03
由于型平板天线阵具有高性能和灵活部署的优点，因此在军事
领域也将有广泛的应用前景。
型平板天线阵的未来研究方向
01
新材料的应用
研究新型材料在型平板天线阵中 的应用，以提高其性能和降低成 本。
02
多频段和多模工作
研究型平板天线阵在多频段和多 模工作中的应用，以满足不同频 段和不同模式的需求。
测试与调整
对天线阵列进行测试和调整，确保其性能符 合设计要求。
型平板天线阵的性能优化
采用高性能材料
优化馈电网络设计
选用具有高介电常数、低损耗角正切等特 性的高性能材料，提高天线阵的辐射效率 和增益。
通过优化馈电网络的设计，降低信号损耗 和提高功率容量。
采用多频段工作
随着微电子技术和新材料的发展，型平板天线阵 将进一步实现集成化和小型化，方便携带和部署 。
型平板天线阵的市场前景
5G和6G通信
01
随着5G和6G通信技术的普及，型平板天线阵将在移动通信领域
发挥重要作用，满足高速数据传输和低延迟的需求。
卫星通信
02
在卫星通信领域，型平板天线阵将应用于地面站和卫星之间的
。
PART 03
型平板天线阵的设计与实 现
型平板天线阵的设计方法
确定设计目标
明确天线阵的用途，例如，用于通信 、雷达、导航等。
选择合适的平板天线单元
根据设计目标，选择具有高辐射效率 、低交叉极化、低成本等特性的平板 Nhomakorabea天线单元。
确定阵列排布方式
根据应用需求，选择合适的阵列排布 方式，如直线阵、平面阵、立体阵等 。
通信，提供更稳定和高效的数据传输。
军事应用
03
由于型平板天线阵具有高性能和灵活部署的优点，因此在军事
领域也将有广泛的应用前景。
型平板天线阵的未来研究方向
01
新材料的应用
研究新型材料在型平板天线阵中 的应用，以提高其性能和降低成 本。
02
多频段和多模工作
研究型平板天线阵在多频段和多 模工作中的应用，以满足不同频 段和不同模式的需求。
测试与调整
对天线阵列进行测试和调整，确保其性能符 合设计要求。
型平板天线阵的性能优化
采用高性能材料
优化馈电网络设计
选用具有高介电常数、低损耗角正切等特 性的高性能材料，提高天线阵的辐射效率 和增益。
通过优化馈电网络的设计，降低信号损耗 和提高功率容量。
采用多频段工作
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➢在每个天线单元的馈端 以及电缆的公共馈端处各 接入一个开关 ➢控制联动开关可使波束 从边射移到45°方向
.
相控阵
➢ 每个阵列单元都有移相器和衰减器，所有馈电 电缆都布置成等长度的组合结构
.
相控阵
➢端馈相控阵也需要逐个单元配有移相器和衰减 器，由于在单元之间引入了递进的相位移，随着 频率的变化，在额定的相位移之外，还需要附加 相反的相位变化作为补偿
.
切比雪夫多项式阵列
阵列单元个数无论奇偶， 都可以写成cosine函数相 加的形式，这和推导出的 切比雪夫多项式具有很大 的相似性，那么未知的阵 列单元激励幅值就可以通 过已知的切比雪夫多项式 系数来近似确定。
.
切比雪夫多项式阵列
单元个数为2M或者2M+1，单元间距为d，第一旁瓣的旁 瓣电平为R0，切比雪夫阵列的设计流程：
.
线阵实例 1: 侧射阵
对于大型阵列 Nkd/2趋于无穷大
.
栅瓣
对于n元均匀直线阵，如果阵元的间距dλ超过1， 将会出现幅度与主（中心）瓣相等的旁瓣，称为栅 瓣，它们与主瓣相隔
Garcd m sin其m 中 1,2,3...
当dλ>> 1 时，可近似简化为
G
m d
.
线阵实例 2: 常规端射阵
➢阵列单元沿Z轴分布，波束最大指向为Z轴方向 （正向或负向），称之为端射阵。 ➢端射阵最大波束只指向一个方向，θ0=0°或者 180°方向，满足相位条件：
.
53
天线阵的应用
• 相控阵天线 • 自适应天线阵
.
54
天线阵的应用
• 相控阵天线 • 自适应天线阵
.
55
相控阵
• 相控阵是指由大量配相单元组成的阵列 • 每个单元的相位(和幅度)可变，借以控制波束方 向，以及包括旁瓣的波瓣图形状 • 相控阵能瞬时形成波束，通过适当的馈电网络可 以同时形成多个波束
激励相位为n1i ikdcos0
可得 S
Iejikdcoscos0 i
i0
n1
对于等幅阵列 S ejikdcoscos0
i0
利用等比级数求和公式，简化并取绝对值得
S sinn2 kdcos cos0
sin12
kdcos .
cos0
N元等幅均匀线阵
.
N元等幅均匀线阵
β=−90, d=λ/4, N=2
.
线阵实例 1: 侧射阵
侧射阵的条件：阵列单元间的相位差为0°，即 所有单元采用相同的激励相位
.
线阵实例 1: 侧射阵
➢ 单元间距d会严重 影响栅瓣的形成 ➢ 为了保证不出现较 大较明显的栅瓣和旁 瓣，单元间距不宜超 过一个波长
.
线阵实例 1: 侧射阵
方向性系数
Umax=1, 平均辐射强度 U0
.
线阵实例 2: 常规端射阵
➢为了得到一个唯一的端射最大值，且避免出现较 大较明显的旁瓣值，阵列单元间间距应该小于半个 波长，即dmax<λ/2
.
线阵实例 2: 常规端射阵
方向性系数：
.
线阵实例 2: 常规端射阵
.
线阵实例 3: 汉森-伍德亚德端射阵
为了提高常规端射阵的方向性系数，且不影 响阵列的其他特性，汉森和伍德亚德提出了附加 条件来提高方向性系数：
0
mi
.
泰勒线阵—线源激励计算
其中
p2dLd(2Lii,1i),0,1i,2,0,1,,2N , 2,1N 2阵 1 元 阵N为 数 元N奇 为 数数 偶数
i
A2 (i 1)2
2
A1cosh1(R0)
i 2A2 1 2
.
泰勒线阵—比较（等幅）
.
泰勒线阵—比较（泰勒分布）
.
目录
• 简介 • 天线阵基本理论 • 天线阵的应用
.
N元等幅均匀线的零点
➢当n=N,2N,3N ,... 时，上述方程可化简为sin(0)/0 形式，其在0处取极限为1，即为方向图的最大值 ➢当n取其他整数时，可以得到方程的各阶零点 ➢对于arccos函数，其变量值不能超出±1的范围，零 点的个数会是阵列单元间距和单元相位激励的函数。
消失
.
阵因子
➢2M.
➢2M+1
阵因子
幅值分布关于原点对称，则偶数单元阵列的阵因子
奇数单元阵列的阵因子
M
AF 2Manco2sn1u n1
A2 M F 1 M 1 a nc . o 2 n s 1 u ， 其 u 中 d cos n 1
N元非等幅均匀阵列
• 阵因子比较 • 二项式分布阵列 • 多尔夫-切比雪夫多项式阵列 • 泰勒分布阵列
对于大型阵列， N足够大
具有比常规端射阵更.高的方向性系数
线阵实例 3: 汉森-伍德亚德端射阵
常规端射阵和汉森-伍德亚德端射阵3维方向图对比 (N = 10,d = λ/4)
.
线阵实例 3: 汉森-伍德亚德端射阵
➢d=λ/2时，虽然副瓣较小， 但其背瓣大于最大指向主瓣 ➢d=λ/4 时 ， 满 足 汉 森 - 伍 德 亚德条件，实现了最大的方 向性系数
适用范围：完全相同的单元组成的阵列
.
阵因子的几点说明
• 阵因子，一般是阵列单元个数、物理排布、单 元的激励幅值、激励相位、空间间距的函数。
• 因为阵因子与单个单元方向图特性完全无关，这 为我们研究阵列提供了简单的途径，即忽略掉单 元方向图的特性，直接以理想点源代替，得出阵 因子后，再选择单元形式以满足特定需求。
.
41
二项式分布阵列
函数（1+x）m-1可以使用二项式展开写成 多项式相加的形式，如下所示
( 1 x ) m 1 1 ( m 1 ) x ( m 1 ) m 2 ( ) x 2 ( m 1 ) m 2 ( ) m 3 ( ) x 3 .
2 !
3 !
不同阶次的m对应的二项式前的系数可以写 成如下的帕斯卡尔三角：
.
二项式分布阵列
➢二 项 式 分 布 阵 列 较 为 简单，只要确定了单元 个数，就可以直接读取 获得单元的激励幅值
.
N元非等幅均匀阵列
• 阵因子比较 • 二项式分布阵列 • 多尔夫-切比雪夫多项式阵列 • 泰勒分布阵列
.
44
切比雪夫多项式阵列
➢ 切比雪夫多项式阵列类似于均匀阵列和二项式 阵列的折中。 ➢ 无论偶数单元阵列还是奇数单元阵列，阵因子 实质上就是M个或M+1个cos函数项的相加，将不 同的cosine函数展开可以得到：
( k cd o ) 1 0 s 8 0 ( 2 k / N d ) d / 2 2 . 1
( k / N d )
N 10
.
线阵实例 3: 汉森-伍德亚德端射阵
方向性系数 ：
当ψ比较小
.
天线阵基本理论
• 二元阵列 • N元等幅均匀阵列 • N元非等幅均匀阵列
.
自适应阵和智能阵
1 单元1 下行信号的相位 2 单元2 下行信号的相位 0 参考振荡器的相位
.
自适应阵和智能阵
➢当信号来自0°和30°时 •对于0°信号，零点沿90°和270°方向 •对于30°信号，零点. 沿210°和330°方向
.
相控阵
• 波束形成时，无需旋转天线阵列，因此不存在机 械问题和惯性问题 • 在某固定频率或确定的频带宽度上实现波束控制 的非频变性
.
相控阵
➢ 将三根电缆接至公共馈端，形成边射三元阵 ➢ 为了阻抗匹配，与接收机(或发射机)联接的电 缆阻抗应是联接阵元电缆的1/3，或接入3：1的 阻抗变换器
.
相控阵
.
35
N元非等幅均匀阵列
• 阵因子比较 • 二项式分布阵列 • 多尔夫-切比雪夫多项式阵列 • 泰勒分布阵列
.
36
N元非等幅均匀阵列
• 阵因子比较 • 二项式分布阵列 • 多尔夫-切比雪夫多项式阵列 • 泰勒分布阵列
.
37
阵因子
• 均匀幅值阵列具有最小的半功率波束宽度 • 二项式分布幅值阵列能够实现最小的副瓣电平 • 二项式分布幅值阵列单元间距小于半波长时，副瓣
.
N元非等幅均匀阵列
• 阵因子比较 • 二项式分布阵列 • 多尔夫-切比雪夫多项式阵列 • 泰勒分布阵列
.
48
泰勒线阵—线源激励计算
线源激励幅度的分布为
i1
Ii (p)12 Sn(m)com s()p m1
1
m0
Sn(m)＝(i1[m (i )1!(i)!]21m)!ii1112A2m (2i12)2 0mi
a. 根据阵列的单元个数选择阵因子。 b. 展开阵因子，使用展开形式代替原来的cos(mu) 函 数(m = 0, 1, 2, 3, . .) 。 c. 通过给定的旁瓣电平R0 以及Tm(z0) = R0表达式来 确定Z0，同时选取的切比雪夫多项式的阶次比阵列单 元个数少1。设计过程要求切比雪夫多项式的自变量范 围为 −1 ≤ z ≤ z1 ，此时的z1时最接近 z = +1 的零 点，用来代表阵列的旁瓣。阵列的主瓣处在 z1 < z ≤ z0的范围内。
• 阵列天线不仅可以提高增益，还可以为天线的波束
形成提供更多的自由度: 1）阵列形状（线阵、圆 环阵、矩形阵）；2）阵列单元之间的相对位置； 3）每个单元的激励幅值；4）每个单元的激励相 位；5）每个单元的方向图差异。
.
天线阵基本理论
• 二元阵列 • N元等幅均匀阵列 • N元非等幅均匀阵列
.
5
二元阵列
忽略单元间互耦，远场电场值计算如下：
.
二元阵列
.
二元阵列
观察点处总电场值等于单个天线在该点处的电 场值乘以一个因子，称之为阵因子。