1  前言

前面介紹了PYTHON與HFSS聯(lián)合仿真LPDA系列，認識了常見的LDPA天線形態(tài)，學(xué)習(xí)了LPDA的基本設(shè)計方法，最后總結(jié)關(guān)于LPDA天線的特點和注意事項，這些知識點有助于工程師能力的提高。

從本節(jié)起，將開啟一個陣列天線系列，陸續(xù)介紹基礎(chǔ)理論知識、PYTHON與HFSS聯(lián)合仿真陣列天線。

圖 1 陣列天線自動建模

2  陣列天線種類

2.1 概述

陣列天線是一類由不少于兩個天線單元規(guī)則或隨機排列并通過適當(dāng)激勵獲得預(yù)定輻射特性的特殊天線。

2.2 陣列天線分類

a)陣列天線按照排布方式可分為以下幾類：

   a1 線性陣列

   a2 平面陣列

   a3 立體陣列

   a4 圓形陣列

圖 2 陣列天線分類1

b)陣列天線按照輻射圖可分為以下幾類：

   b1 側(cè)射天線陣

   b2 端射天線陣

   b3 既非側(cè)射又非端射的天線陣

側(cè)射天線陣是最大輻射方向指向陣軸或陣面垂直方向的天線陣；端射天線陣是最大輻射方向指向陣軸方向的天線陣；最大輻射方向指向其他方向的天線陣為雙非既非側(cè)射又非端射的天線陣。

圖 3 陣列天線分類2

c)陣列天線按照功能可分為以下幾類：

   c1 同相水平天線

   c2 頻率掃描天線

   c3 相控陣天線

   c4 多波束天線

   c5 信號處理天線

   c6 自適應(yīng)天線

3  均勻線陣聯(lián)合仿真分析

3.1  線陣方向圖分析

陣列天線可由下列四個參數(shù)確定其天線的輻射特性：

   a.單元數(shù)目

   b.單元間距

   c.各單元的激勵幅度

   d.各單元的相位分布

現(xiàn)有一線陣由N各相同單元組成，各個單元間距為d，并且各單元激勵電流幅度相等，各相鄰單元的饋電相位差都為β構(gòu)成了均勻直線陣。

                          

圖 4 線陣天線

如圖所示，來波位于θ方向，參考波前面定義為零相位，對于不同的單元均對應(yīng)的相位β_n，這里激勵幅度相同，歸一化為1, 此時該天線陣的陣因子為：

簡化分析，對于一個間距為一個波長的二元線陣而言， 沿X軸場強同相得到加強，順時針旋轉(zhuǎn)此時各處的相位差將從0變化至360°，此時相位差可表示為d cosθ，這里d=λ。

當(dāng)θ為60°和120°時，cosθ=0.5，即將出現(xiàn)半波程意味著將產(chǎn)生一個零點；同理，θ為90°，此時場強加強。此時遠場圖如下圖所示。

圖 5 二元線陣

接著推導(dǎo)一下陣因子，其為兩單元之和，即

將d=λ帶入上式得到：

圖 6 二元陣輻射特性

圖 7 二元陣方向圖

推廣至N元陣，相鄰單元接收到的信號的相位差為φ=2Πd/λsinθ，則均勻直線陣的遠區(qū)輻射場表達式為:

均勻直線陣的陣因子為：

當(dāng)已知各相鄰單元的饋電相位差β時，由上式可知，陣因子f(θ)是周期為2Π的函數(shù)。同時波瓣最大值會隨之重復(fù)出現(xiàn)，當(dāng)ψ=0時，陣因子將出現(xiàn)主瓣的最大值，波束指向見下式：

當(dāng)θ=90時，波束指向與陣軸垂直，線性陣列為側(cè)射陣。當(dāng)θ=0時，波束指向在陣軸方向，線性陣列為端射陣。當(dāng)需要波速指向特定角度時，則按照該公式可求出各個陣元間的相位差。

陣列天線的建模、結(jié)果數(shù)據(jù)分析代碼如下：

      Hfssstart()
      arrayant(2400,4.3,0.8,10)
      Save()
      Analyze()
      ResulteSave()

這里調(diào)用了作者封裝的函數(shù)，arrayant根據(jù)計算的參數(shù)建立天線模型，過程如下圖所示。

圖 8 聯(lián)合仿真設(shè)計

3.2  線陣聯(lián)合仿真分析

借助上節(jié)自動建模程序，本節(jié)從全波電磁仿真角度出， 分為三小節(jié)討論等幅激勵線陣天線的輻射特性。

a)不同陣元等間距

五元線陣當(dāng)其間距為2λ/3時，由Python和HFSS聯(lián)合仿真結(jié)果如下：

圖 9 5陣元合成輻射圖

二十元線陣當(dāng)其間距為2λ/3時，由Python和HFSS聯(lián)合仿真結(jié)果如下：

圖 10 20陣元合成輻射圖

通過兩者對比，陣列天線的單元數(shù)越多，其波束越窄，指向性明顯。

b)相同陣元不同間距

十元線陣當(dāng)其間距為λ時，由Python和HFSS聯(lián)合仿真結(jié)果如下：

 

圖 11 10陣元合成輻射圖

十元線陣當(dāng)其間距為λ/2時，由Python和HFSS聯(lián)合仿真結(jié)果如下：

圖 12 間距為λ/2方向圖

十元線陣當(dāng)其間距為λ/4時，由Python和HFSS聯(lián)合仿真結(jié)果如下：

圖 13 間距為λ/4方向圖

c)相同陣元相同間距不同綜合方法

等幅激勵的十元線陣當(dāng)其間距為λ/2時，由Python和HFSS聯(lián)合仿真結(jié)果如下：

圖 14 等幅激勵

同樣十元線陣采用切比雪夫綜合法得到的聯(lián)合仿真結(jié)果如下：

圖 15 切比雪夫綜合法

對比兩者輻射圖，切比雪夫綜合法得到的各個單元激勵幅度不同，最終合成的方向圖主副瓣比改善顯著。