阵列天线分析：归一化设计与影响

"阵列天线分析与综合讲义王建" 在无线通信和电子系统中，阵列天线因其独特的性能优势被广泛应用。阵列天线由多个相同或相似的单元天线按照特定规则排列组成，可以是直线阵、平面阵或是共形阵。这种布局利用了电磁波在空间中的干涉效应，以实现更高效的能量转换和定向辐射或接收。 阵列天线的主要优点在于： 1. **提高增益和方向性**：通过将多个单元天线的能量集中，阵列天线能够产生比单个天线更窄的主瓣，从而增加增益，强化天线的方向性。例如，精密跟踪雷达天线要求主瓣宽度仅为1/3度，而射电天文望远镜的主瓣宽度甚至要达到1/30度，这远远超出单个天线的能力范围。 2. **赋形波束和多波束**：阵列天线可以根据需求调整单元天线之间的幅度和相位关系，实现波束形状的定制，以适应不同应用场景，如通信、雷达和干扰系统。 3. **电扫描和波束控制**：在雷达系统中，相控阵天线通过改变馈电相位实现快速的波束扫描，无需机械运动，提高了响应速度和系统灵活性。 4. **低副瓣电平**：通过精细设计馈电网络和单元天线布局，阵列天线能有效降低副瓣电平，提高信号质量并减少干扰。 阵列天线的性能受到多个因素的影响，包括单元间距的选择。例如，在切比雪夫阵列中，单元间距的变化会显著影响方向图的形状。在10元切比雪夫直线阵的例子中，当单元间距等于0.6λ时，可以得到特定的方向图，如图2-3所示，分别展示了直角坐标和极坐标下的方向图。切比雪夫多项式用于描述这种阵列的特性，其中涉及到的关系式用于计算和绘图。 此外，阵列天线的设计和分析涉及阵因子（S_u）和偶函数cos[(2u-1)θ]的计算，这些决定了阵列的方向性。例如，当θ=0时，x=0.7673，随着θ的增大，x值也会相应变化，直到θ=90°时，x值回到原点。这种变化模式影响了阵列在不同角度的辐射特性。 随着技术的进步，阵列天线的馈电网络和单元天线趋于一体化设计，成本降低，集成度提高，使得实现低副瓣、极低副瓣以及复杂功能如相控扫描、波束赋形变得更加可行。因此，阵列天线在现代无线电系统中的应用越来越广泛，成为了提升系统性能的关键技术之一。