第5章-天线阵.ppt

1,第5章天线阵,第一节二元阵,第二节方向性相乘原理第三节均匀直线阵,2,引言,一、问题的提出（为什么需要天线阵列、天线阵优点）（1）提高增益（2）改变方向图（a）改变最大辐射方向（b）改变副瓣大小,0,.,6,3,5,1,.,6,4,3,.,3,振,子,电,长,度,l,/,l,方,向,性,系,数,（,倍,数,）,D,3,二、天线阵的基本概念,相似阵：如果天线阵中各阵元天线具有相同的形式，则称该天阵为相似阵。相同的形式：组成阵列的阵元天线，结构相同、形状相同、尺寸相同、排列取向（架设方位）相同，即：具有相同的方向性函数，符合这种条件的阵元天线称为相似元天线，由相似元天线组成的天线阵，称为相似阵,天线阵列：两个或两个以上的天线、以某种方式排列、以作为发射或接收天线之用，我们称之为天线阵列或简称天线阵。阵元天线：组成天线阵的具体天线则称为阵元天线（天线元）。组成天线阵的阵元天线个数为N，称为N元天线阵，二元阵，八元阵,线阵、面阵（环形矩形）、体阵（立方体）,天线阵的参数：阵元天线个数、阵元天线的空间分布、各阵元的天线激励振幅与激励相位,4,（1）方向性增强原理（最大辐射方向）,（a）一个振子1：输入功率为P，输入电阻为R，则其输入电流I为：,在与振子轴线垂直，相距为r处M点(最大辐射方向）的场强为,（b）两个振子1、2：输入功率总工率P，每个振子的输入功率为P/2(相似阵),结论：输入总功率相同的情况下，远区M点得到的场强，二元阵是单个振子时的倍，若N个阵子，则变为一个振子的倍,第一节二元阵,5,二元阵,说明：场强增强只是对最大辐射方向M点而言，其它方向要具体分析,结论：能量分配到各振子上以后，方向性增强的根本原因，是由于各个振子的场在空间相互干涉，结果是某些方向上的辐射增强，另一些方向上的辐射减弱，从而使主瓣变窄，增益提高,6,二元阵的方向性,两个相似元天线以间隔距离d沿y轴方向排列组成二元天线阵，以天线1为参考天线，天线2相对于天线1的电流关系为：,（1）建立坐标系（2）根据场叠加原理，写出辐射场表达式（3）各个物理量在坐标系下的表达式（4）带入物理量表达式，求解辐射场：（3）带入（2）（5）分析结果,7,间隔距离d沿y轴方向排列,隐含条件：,（1）建立坐标系,以天线1的中心为坐标原点，建立球坐标系,矢径r与y轴（天线阵轴线，阵元天线的轴线）的夹角为：,1,2,天线1的中心坐标（0，0，0）；天线2的中心坐标（0，d，0）,（2）根据场叠加原理，写出辐射场表达式,近似1：平行四边形法则平行光入射，矢量的方向相同,8,（3）各个物理量在坐标系下的表达式,分母r2零级近似,相位项r2一级近似,（4）带入物理量表达式，求解辐射场,1,2,天线1作为参考天线,9,（5）分析结果,由两部分组成（1）是电流的初始激励相位差，是一个常数，不随方向变化。（2）kr是由路径差导致的波程差，与空间方位有关,（5.1）二元阵的方向性函数（以天线1为参考天线）,10,二元阵的方向性函数（以天线1为参考天线）,元因子只与阵元天线的结构和架设方位有关,阵因子取决于两天线的电流比以及相对位置（组阵方式），与元天线无关,方向图相乘原理,11,12,举例,最典型的应用m=1,13,第二节方向图相乘原理,（1）成立条件：相似阵,各阵元天线不仅要形式和尺寸都相同，而且在空间中的放置方式（取向）也相同，即组成相似阵。这样，各阵元天线才具有相同的方向性函数，在计算场强迭加时可以将它作为公因子提出来。否则，相乘原理便不能成立,f(q,f)=f1(q,f)fa(q,f)式中，令构成天线阵的阵元为理想点源天线，即有f1(q,f)=1，可得出f(q,f)=fa(q,f)，即理想点源天线阵：天线阵方向性函数等于阵因子，阵因子就是理想点源天线阵方向性函数,（2）理想点源天线阵的方向性函数,因而，在研究相似阵时，可先将理想点源天线作为阵元天线先求得fa(q,f)，再由方向图相乘原理得出实际天线阵的方向性函数。,（3）复杂天线阵的分析,14,方向性相乘原理：天线阵的方向性函数为单个振子的方向性函数与阵因子的乘积。方向性图也可以相乘。,15,证明：设局部空间V内有N个相同的辐射元所组成的天线阵，观察点M远离天线阵，各辐射元到原点的距离为dn。,16,第n个辐射元的辐射场：,为路程差（r-rn）所引起的相位差,设n个辐射元全部相同，则其方向性函数也相同：,Pn:电场的极化方向。例如偶极子天线，Pn在球坐标方向；,k(r-rn),17,所以，方向性函数为：,阵因子：,则：,证毕！,18,阵因子的求解：,1)H面：,2)E面：,注：1）通常方向性函数指的是方向性函数的模2）选择第一个辐射元为参考点,与坐标建立有关！,19,阵因子的物理含义：用同位置和电流关系的点源代替各辐射元后的天线阵的方向性函数。,方向性相乘原理的推广：函数不仅表示单个辐射元的方向性函数，而且可以推广为一个“等效辐射元”的方向性函数。而求阵因子变成求“等效辐射元”的阵因子,20,例1：相距/4的平行放置的两半波对称振子以相同的电流同相馈电，求该振子阵的方向性。,解：由已知，得,21,1）E面内：,22,2）H面内：,23,例2：相距/4的两耦合半波对称振子以相同的电流振幅，但相位相差900馈电，求该振子阵的方向性。,解：由已知，得,1）当振子2的电流超前阵子1时，即,24,天线阵的最大辐射方向由振子2指向振子1（振子1中的电流落后振子2），振子2称为振子1的反射器。振子1称为振子2的引向器。,25,2）同理，当振子2的电流落后振子1时，即,天线阵的最大辐射方向由振子1指向振子2（振子1中的电流超前振子2），此时振子2为振子1的引向器，振子1为振子2的反射器。,26,无源振子或寄生振子：在天线阵中不馈电的振子单向辐射的天线阵中，通常只有一个振子馈电。无源振子常用作为引向器或反射器，反射器只有一个，而引向器可以多于一个可通过改变m或0来使振子成为引向器或反射器实际中通过改变无源振子的几何尺寸l与有源振子的距离d来改变m和0,27,1等幅同相,几种二元阵阵因子的方向图,28,2等幅反相,29,3等幅90度相位差,30,二元阵阵因子图形,通过以上实例的分析可以看出，加大间隔距离d会加大波程差的变化范围，导致波瓣个数变多；而改变电流激励初始相差，会改变阵因子的最大辐射方向。,0=0m=1,0=0,0=/2,0=,0=3/2,0=0,31,作业：两平行半波振子等幅激励，间距为d=，分别求其电流同相、反相、及相差/2激励后的H面方向函数并概画方向图。,32,【例3】有两个半波振子组成一个共线二元阵，其间隔距离d=，电流比Im2=Im1，求其E面和H面的方向函数及方向图。,33,解此题所设的二元阵属于等幅同相二元阵,m=1,0=0。相位差=kdcos。,E平面(xoz),34,例3的E平面方向图,35,2)H平面(xOy)对于共线二元阵，H面阵因子无方向性。应用方向图乘积定理，直接写出H面的方向函数为f()=2,36,例4设有等辐同相馈电的4个对称振子，排列在一条直线上，每两振子之间的间距为d=/2，求在赤道面的方向性函数。,37,解已知m1=m2=m3=m4=1和01=02=03=04=0,又d=/2,38,方向性相乘原理的推广：函数不仅表示单个辐射元的方向性函数，而且可以推广为一个“等效辐射元”的方向性函数。而求阵因子变成求“等效辐射元”的阵因子,39,相距/2的两对称振子的方向性函数为,相距的两“等效辐射元”的天线阵的阵因子,总的方向函数,40,第三节均匀直线阵,均匀直线阵：当各阵元天线形式相同（结构相同、形状相同、尺寸相同、排列取向（架设方位）相同，即：具有相同的方向性函数，相似阵），相邻元间的间距相等，其上的电流振幅相等且相位等差递增或递减时，这样的直线阵称为均匀直线阵。,直线阵：如果组成阵列的阵元天线排列在一条直线上，则称为直线阵,41,1.均匀直线阵的阵因子,设有N元均匀直线阵，阵元天线排列上图中所示。相邻两阵元间的电流相位差为x，间距为d。,求：辐射场,隐含条件：相似阵天线1与天线2的方向性函数相同,（1）建立坐标系（2）根据场叠加原理，写出辐射场表达式（3）各个物理量在坐标系下的表达式（4）带入物理量表达式，求解辐射场：（3）带入（2）（5）分析结果,42,间隔距离d沿y轴方向排列,隐含条件：,（1）建立坐标系,以天线1的中心为坐标原点，建立球坐标系,（2）根据场叠加原理，写出辐射场表达式,近似1：平行四边形法则矢量的方向相同,43,（3）各个物理量在坐标系下的表达式,分母r零级近似,相位项r一级近似,（4）带入物理量表达式，求解辐射场,44,（5）分析结果,二元阵的方向性函数（以天线1为参考天线）,方向图相乘原理,45,均匀直线阵的阵因子,归一化的阵因子,当y=0时，各阵元天线在观察点方向上产生的场同相迭加，上式取得最大值且(fN)max=N,46,N,主瓣越窄增益越高,方向图可以在极坐标系下画出，也可以在直角坐标系下画出。极坐标系形象直观地将天线的方向性表现为一组波束。通常在360范围内波束较少时（如线天线情形）我们常在极坐标系下画天线的方向图，而在波束较多时（如口径天线情形）我们常在直角坐标系下画天线的方向图（直角坐标系可以按任意尺度扩展,图形清晰）。,47,48,最大辐射方向：,结论：上述推导说明在最大辐射方向上各振子在观察点所产生的场的相位相同。这是因为相邻振子的行程差所引起的相位差正好被它们的电流相位差所补偿。,49,【例题】设有一个五元均匀直线阵，间隔距离d=0.35，电流激励相位差=/2，绘出均匀直线阵阵因子方向图，同时计算极坐标方向图中的第一副瓣位置和副瓣电平、第一零点位置。,解相位差为,50,第一副瓣位置：,可求得：,副瓣电平：,第一零点：,51,主瓣,珊瓣,可视区,52,2.均匀直线阵的应用均匀直线阵在实际应用中有如下几种常见的情况。1)边射阵（同相均匀直线阵）（BroadsideArray）2）普通端射阵（OrdinaryEnd-fireArray）3)强方向性端射阵（End-fireArraywithIncreasedDirectivity）,53,(1)同相均匀直线阵,最大辐射方向垂至于阵轴线，同相均匀直线阵称为边射或侧射直线阵,避免栅瓣出现,边射或侧射直线阵BroadsideArray,54,零辐射方向：,L为天线阵轴线长度,当阵子数N较多时，零辐射的主瓣宽度：,半功率之间的主瓣宽度：,边射阵主瓣宽度分析,55,边射阵阵因子极坐标方向图,阵元数越多，间隔距离越大，边射阵主瓣越窄，副瓣电平也就越高。,56,(2)普通的端射阵OrdinaryEnd-fireArray,端射天线阵：天线阵的最大辐射方向沿天线阵的阵轴线,端射天线阵条件,各单元天线的电流相位差和沿阵轴线方向的波程差所引起的相位差补偿，会在沿阵轴线方向上辐射场同相迭加而获得最大辐射,57,N=5，d=/4,58,零辐射,当,当N较大时,零辐射主瓣宽度,半功率主瓣宽度近似为,59,普通端射阵存在控制栅瓣（多个主瓣）出现的问题。由于普通端射阵的主瓣比较宽，并且第一零点的位置为01=2/N，普通端射阵不产生栅瓣的条件为,思考：N=5，d=/2端射阵的主瓣情况？,60,当d给定后，将随的变化而变化。连续地调整，可以让波束在空间扫描，这就是相扫天线的基本原理。,61,相控阵基本原理,62,3)强方向性端射阵（汉森-伍德耶特阵）（End-fireArraywithIncreasedDirectivity）普通端射阵的主瓣方向唯一，但是它的方向图主瓣过宽，方向性较弱。对一定的均匀直线阵