天线阵列

2021年9月15日 7点热度 0条评论 来源: 亚当二世

天线阵列

单一天线的方向性是有限的,为适合各种场合的应用,将工作在同一频率的两个或两个以上的单个天线,按照一定的要求进行馈电和空间排列构成天线阵列,也叫天线阵。构成天线阵的天线辐射单元称为阵元。
1 主要作用
2 工作原理
3 分类
4 特性
主要作用
(1)加强和改善辐射场的方向性。
(2)加强辐射场的强度。
工作原理
天线阵的工作原理可以看成是电磁波(电磁场)的叠加。对几列电磁波来讲,当它们传到同一区域时,按照叠加原理,电磁波将产生矢量叠加。叠加结果不仅与各列电磁波的振幅大小有关,而且与它们在相遇区间内相互之间的相位差有关。
我们知道,电磁波的相位组成包含三部分:时间相位,空间相位,初相位。就初相位来讲,当发射天线和工作频率确定后,其初相位就是确定的,而在几列电磁波相遇的时刻,时间相位也是确定的,只有空间相位可能发生变化,因为组成天线阵列的各单元天线位置不同,各自发出的电磁波传到同一接收区域时所走的空间路径不同,这样就会造成空间相位的数值大小不相同。正是由于位于不同位置上的发射天线所发出的电磁波传到同一接收区域造成的空间相位出现差别,必然引起几列电磁波在相遇区域形成同相位叠加,总场强增强,反相位叠加,总场强削弱。若总场强的增强和削弱区域在空间保持相对固定,就相当于用天线阵改变了单个天线的辐射场结构,这就是天线阵改变辐射场大小和方向性的原理。
分类
天线阵列也可以按照天线元的连接方式分类。相控阵的所有元都连接到馈线,对于单个天线元,还有相位偏移、功率分配和阻抗匹配等问题,但是他们都接收来自于馈线的功率(假设为发射天线)。由于发射机提供了用于“驱动”各个天线元的功率,因此这种天线也叫“被驱动阵列”。另一方面,有些天线阵列中只有一个天线元与馈线相连接,而其他元的工作则是吸收和转射来自被驱动天线元的辐射功率,这些天线元叫做“寄生元”,这种天线叫做“寄生阵列”。
相控阵按最大辐射方向,可分为垂射和端射两种。如果天线阵列的最大辐射方向与天线的主轴(这个主轴并不一定与其中单个天线元的主轴相同)相垂直,则称这种天线为垂射天线阵列;如果最大辐射方向沿着天线的主轴,则称为端射天线。
特性
相控阵
(1)直排阵列
直排阵列是垂射阵列的一种类型,各天线元的轴沿着同一条直线放置。以半波偶极子直排阵列为例,所有天线元在阵列主轴方向上都没有能量辐射,因此在这个方向上没有信号;但在阵列的一侧所有天线单元都有能量辐射(要考虑相位问题)。
直排阵列天线安装时,通常是主轴垂直放置。它们在水平方向上是全方向性的,但是在垂直平面内的辐射角较小。因此,它们适合制作很好的移动无线系统基站天线。许多蜂窝无线系统和PCS系统的基站使用的是直排阵列。
(2)垂射阵列

将天线单元按多列同向排列,阵列的主轴与单元的主轴垂直,也能组成一个垂射阵列,安装时使主轴垂直放置。次阵列中天线元虽然不是直排的,但仍然是同相位。与直排阵列不同的是它们的极化方式。以偶极子天线阵列为例,相邻天线元间距为半个波长,并且馈线交叉连接。直排阵列是垂直极化天线,而垂射阵列是水平极化的。
(3)端射阵列

以偶极子天线为例,将上述垂射阵列中各相邻天线元的馈线交叉连接改为平行连接,使得与每个天线元前后相邻的两个天线的相位差为180度,因此来自一个天线元的辐射在垂射方向上与相邻的辐射抵消,在离开天线端点的方向上,来自天线元的所有辐射将叠加起来。这种天线安装一般使其主轴水平,并使其辐射处于一个方向上。这种天线的极化方向取决与所使用天线单元的极化方向。
(4)绕杆式天线
绕杆式天线
绕杆式天线
以偶极天线元为例,绕杆式天线在水平面内获得全向的性能,并且极化方式是水平的。偶极天线的馈电相位之差是90度。
绕杆式天线经常用于FM广播接收,在这种应用中,绕杆式天线不需要转子就可以在各个方向上表现出合适的性能。
(5)对数周期偶极天线阵列
这种天线的阵元是偶极天线,其中最长的偶极天线元的长度是最低工作频率的半个波长,最短的天线元长度则小于最高工作频率的半个波长。平行馈线与天线的窄端相连,功率可由交叉连接的网络馈电到其他偶极天线。
对数周期偶极天线阵列
对数周期偶极天线阵列
八木-宇田天线阵列
八木-宇田天线阵列
(6)八木-宇田天线阵列是最为常用的有源天线阵列类型。八木天线是由一个有源振子(一般用折合振子)、一个无源反射器和若干个无源引向器平行排列而成的端射式天线。它具有一个被驱动的天线元,该天线元后面有一个反射器,前面有一到多个导向偶极天线。反射器的长度略长于半个波长,而导向偶极天线的长度略短于半个波长。各天线元间的间隔不尽相同,但一般都约为0.2个波长。

    原文作者:亚当二世
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