學個Antenna是以天線仿真和調試為主，理論原理為輔的干貨天線技術專欄，包括天線入門知識以及各類天線的原理簡介、仿真軟件建模、設計、調試過程及思路。如有想看到的內容或技術問題，可以在文尾寫下留言。

摘要：

在實際生活中，大家所用的終端一般搭載單天線或者MIMO天線，其增益不高且單天線輻射方向圖的3dB波束寬度都比較寬。在很多長距離通信的需求中，需要有強定向性天線(比如基站天線等)來彌補空間衰減。

本文使用的軟件為CST2018和AnsysEM 18.2

定向天線

在學個Antenna專欄里，一開始介紹的就是全向性的振子天線(從電磁波產生到對稱振子天線)。這種天線的好處就是能實現水平方向全覆蓋，但由于其增益不高，通信范圍就很局限；而且實際使用的時候，全向天線需要更大的凈空區域。

·假設黑暗不可視環境下，一個手電筒的功率是3W，亮域很小，但很亮，黑暗中的一束光；一個常見燈泡的功率選取一個60W，360°亮域很廣，但相對而言，亮度較弱。燈泡功率是手電筒的20倍，但照亮視線內的某個不定項，手電筒項下雖然看不見光域外，但勢必比燈泡適用。二者有失有得，手電筒類比定向天線，燈泡類比全向天線。

相較而言，定向天線的輻射能量更集中，增益相對全向天線要高，更適合于遠距離的點對點通信。給偶極振子增加一個無源反射器和若干個無源引向器平行排列，其就構成了方向圖具有定向性的端射式天線——八木天線，在HF、VHF以及UHF波段應用廣泛。

如下圖所示，激勵半波振子，其H面方向圖為一個圓，說明其輻射能量在水平面可實現360°覆蓋，無方向性。但加上一根或幾根無源振子并排放置后，其H面內的方向圖將變得有方向性。

一般而言，引向器數目愈多，引向能力愈強，但其并非線性關系，因為邊緣各引向器上的感應電流會逐漸減弱。

除了八木天線外，常規的定向天線還有拋物面天線，Vivaldi 天線，帶有地板的微帶貼片天線(貼片天線的HFSS和CST仿真對比，貼片天線的特征模分析及其應用)等。
為什么要用陣列天線

·由許多相同的單個天線（如對稱天線）按一定規律排列組成的天線系統，也稱天線陣。俗稱天線陣的獨立單元稱為陣元或天線單元。如果陣元排列在一直線或一平面上，則成為直線陣列或平面陣

在平面口徑天線簡談一文中，我們提到了定向性和口徑效率。為了滿足通訊、雷達、導航、微波著陸、干擾和抗干擾等系統日漸嚴苛的需求，有必要將天線單元組陣來提高天線的增益，畢竟“眾人拾柴火焰高”。

接下來從理論出發理解下天線組陣后為什么能提高增益(以均勻直線陣為例)：

如上圖所示，忽略天線的尺寸形狀和單元之間的耦合因素，將每個天線單元視為一個點源。考慮到遠區可近似認為各天線單元到指定點的射線是平行的，第個單元相對于第一個單元的波程差為：

圖中為第一個天線單元的激勵電流，為相鄰兩單元的激勵相位差，第N個單元(任意形式)天線的遠區輻射場可寫作：

總場可記為：

這里令陣因子為：

化簡可得：
將的公因子提出并歸一化，可得歸一化陣因子：

在總輻射功率相同的情況下，主瓣最大方向上的功率密度與全空間的平均功率密度之比定義為方向性系數。忽略天線損耗，方向性系數就可視為天線的實際增益。 同樣，若僅考慮均勻直線陣，此時

對于側射陣而言，。當單元數N較大時，有下面等式成立：

%matlab code clear;clc; x=-pi/2:0.01:pi/2;y1=abs(sin(10*x)./(10*sin(x)));y2=abs(sin(10*x)./(10*x)); plot(x,y1,'r','linewidth',2);hold on;plot(x,y2,'--b','linewidth',2);hold off; set(gca,'linewidth',3); xlabel('x','Fontsize',12); axis([-pi/2,pi/2,0,1]); h=legend({'$${{\sin \left( {Nx} \right)} \over {N\sin \left( x \right)}}$$',...     '$${{\sin \left( {Nx} \right)} \over {Nx}}$$'},'interpreter','latex'); set(h,'FontName','Times New Roman','FontSize',12,'FontWeight','normal');

 

帶入積分運算，考慮到，可以替換積分上下限進行進一步運算。

因此等幅同相激勵的均勻直線陣，其最大增益可表示為：

這里為L=Nd布陣長度，可以看出單元間距固定的情況下，單元數量與增益理論上呈現線性關系。這個公式同時也可以說明，當布陣尺寸固定的情況下，盲目增加天線單元對提升陣列的增益是不一定有用的。這里又衍生出了稀布陣的概念，稀布陣在一定程度上可以減少天線單元以降低工程成本，而且在布置陣元上具有更大的自由度，從而獲取更加優越的天線性能。

固定布陣長度的線陣

如下圖所示是一個貼片天線線陣，現在固定總布陣長度為：單元數量*單元間距=100mm。由于CST建模里的Translate操作支持全變量建模，因此可以固定天線單元y軸方向的尺寸為12.5mm，x軸方向的尺寸設置為100mm/單元數量，將單元數量設置為變量進行掃參，這樣就可以仿真固定總布陣長度下均勻布陣時，不同單元數量對應的實際增益變化。

下圖是不同單元數量的情況下，1單元的端口反射系數。17GHz的S11基本在-15dB左右，端口匹配良好。

在12.5mm×100mm尺寸下，口徑效率達到100%時，17GHz對應的最大增益為：

下面對比不同單元數量時，所有單元等幅同相激勵下，17GHz的定向性。

從上述結果可以看出，單元數量過于稀疏，定向性會下降，而且第一副瓣會較高。單元數為8和10的定向性基本一致，前者單元間距更大，單元之間的隔離度更具優勢。

總的來說，布陣尺寸確定的情況下，盲目增加天線單元不一定能提升天線增益，反而還可能導致天線單元之間的隔離度惡化，進一步降低天線增益等。單元間距和單元數量需要視陣列的波束掃描角范圍和單元隔離度，以及實際成本預算等具體要求而定。

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