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阵列天线增益_工作原理_常见类型

IC先生 IC先生 1145 2023-09-14 17:10:32

天线是一种专用设备,可以在特定方向上辐射一定量的能量,以实现更好的输出传输。为了更有效的输出,添加了一些天线元件,称为阵列天线(Antenna Array)。单个天线具有良好的方向性,但信号传输到接收器时有些失败并产生损耗,因此使用阵列天线。

实际上,在如此多的应用中,需要具有极高方向特性的天线,而这种特性可以通过增加天线的电气尺寸来增强。在不增加单个元件尺寸的情况下增加天线的尺寸就是形成天线阵列元件。

什么是天线阵列?

阵列天线的定义是:排列成单个天线以生成辐射方向图但不是由各个天线生成的一组天线。因此,一组天线将协同工作来发射或接收无线电信号。由于每个天线都较小,因此该天线的设计和维护具有成本效益。阵列天线图如下所示:

天线阵列

对于阵列天线,配置时必须给出适当的间距和相位。一旦天线将信号传输到很长的距离,就要求它们必须具有高定向增益,因为信号在从一端传输到另一端时会变形和失真。尽管单个天线具有良好的方向性,但它无法无损耗地将信号从发射器传输到接收器。所以这就是使用阵列天线的主要原因。

阵列天线设计

阵列天线的设计是通过排列多个天线来形成单个系统,以提供高定向增益。阵列内的天线必须适当地间隔开并处于适当的相位,以便同一方向上的排列中的每个天线的独立贡献相加,而在其余所有其他方向上则被抵消。这种布置提高了系统的方向性。一旦系统内的所有天线排列成一条直线,它就被称为线性阵列天线。

阵列天线设计

天线阵列工作原理

阵列天线是一组各种天线元件。一般来说,多元件阵列采用半波偶极天线。该天线具有全向辐射图,因此电波以广角发射。为了增强这些天线的发射能力,特别是在单个方向上的发射能力,这些天线简单地以适当间距排列成阵列形式。通过以适当的相位提供电流来同时激励这些阵列。

一般来说,在阵列天线中,如果不同天线元件内的电流同时流经相似方向时达到最高值,则该电流是同相的。因此,一旦从阵列的每个元件向天线元件馈送适当的相位,球面波就会由于干扰而叠加并生成无线电波。在系统中,干扰可以是相长的(或)破坏性的,并且完全取决于元件的辐射波。

因此,如果从天线元件发射的波同相,它们就会被有效地相加,从而增加辐射功率。然而,如果从各个元件发射的波不同相,那么它们会被破坏性地相加以相互抵消。因此这会导致辐射功率降低。

像这样,从阵列天线发射的辐射是同相的,并且加起来提供具有最大强度的定向光束,使得它可以传播很长的距离。因此,阵列天线提供的辐射方向图具有指定单个方向上的强波束的主瓣。当阵列中的元件数量增加时,主瓣变窄,旁瓣变小,表明天线提供的增益增加。

阵列天线类型

阵列天线分为四种类型:舷侧、端射、共线和寄生天线阵列,下面讨论每种类型。

1、舷侧阵列天线

舷侧阵列天线布置如下所示,其中各种相同的元件沿天线轴线平行布置。在这种类型的布置中,元件以彼此相等的距离水平布置,并且每个元件由相似相位和幅值的电流馈送。

每当该布置中的元件被通电时,将从侧面发射最大辐射,这意味着阵列轴的法线方向,而将从其他方向发射一定量的辐射。因此它提供了双向辐射方向图,因为它沿着侧面在两个方向内辐射。因此,在这种布置中,辐射原理的方向与阵列轴和元件位置平面是共同的。舷侧阵列天线的辐射方向图如下所示:

舷侧天线阵列

从上图可以看出,舷侧天线阵列的辐射方向图是垂直的,因为元件的排列是水平的。

如果我们想要将辐射方向图从双向更改为单向,则需要在该天线阵列后面λ/4距离处布置一个类似的阵列,并通过具有90°相位超前的电流激励复制阵列。通常情况下,这种布置中的元件数量取决于可用空间以及成本和波束宽度的需要,而阵列长度在2λ到10λ之间。这些天线阵列用于海外广播系统。

2、端射阵列天线

端射阵列天线布置与侧射布置中的元件相同,但是这两种配置之间的主要区别在于激励方式。在这种布置中,元件通常以180°异相馈送,而在宽边布置中,每个元件以相似相位的电流馈送。在这种布置中,沿阵列轴获得最大辐射。

因此,为了获得单向辐射图,只需用等效幅度的电流对这种完全相同的元件布置进行通电,然而,相位沿线连续变化。因此,可以说端射阵列通过通过天线阵列的轴出现的最高辐射来生成单向辐射图。

端射阵列天线

在上面的辐射图图中,这种布置内的元件之间的主要距离通常被理解为λ/4(或)3λ/4。因此,这些阵列最常用于点对点通信,并且适用于高、中、低频范围。

3、共线阵列天线

在共线阵列天线中,天线元件简单地从一端到另一端排列成一条线,这意味着一个接一个。因此,这种布置可以是水平方向,也可以是垂直方向。水平排列的共线阵列如下所示。

对于所有天线元件,激励由相同相位和幅度的电流提供给所有元件。与侧射阵列类似,这也提供了天线阵列轴法线方向的辐射。因此,共线阵列的辐射方向图与舷侧天线阵列有一定的相关性。只要元件间隔0.3至0.5λ 距离,这种布置就能提供最高增益,但这可能会导致天线阵列内的结构和馈电问题。因此,元素排列得彼此更靠近。

共线天线阵列

共线阵列辐射方向图如上所示。这里要注意的是,随着阵列长度的增加,方向性也增加。一般来说,通常使用两元件共线阵列,因为它支持多频段操作,但有时,一些应用会使用舷侧、端射和共线阵列天线的组合,因为这将方向性和增益增强到非常高的范围。

4、寄生阵列天线

多元件阵列(如寄生天线元件)以寄生方式排列,无需向每个阵列元件供电即可提供最大方向增益。这种布置通过不向每个阵列天线元件提供直接激励来简单地帮助处理馈线问题。寄生阵列天线布置如下所示。

不直接馈电的元件被称为寄生元件,它们只是从附近存在的驱动元件发出的辐射中获取能量。结果,由于驱动元件在附近,所以寄生元件被电磁耦合激活。天线阵列的寄生元件不直接被激励,而是依赖于向驱动元件传递的激励。因此,由驱动元件引起的寄生元件内的感应电流由这两个元件之间的距离及其调谐决定。

寄生阵列天线

因此,在驱动元件和寄生元件之间产生具有“λ/4”间隔距离和90°相位差的单向辐射图。因此,该阵列的辐射方向图简单地由布置在驱动元件之后的反射器创建,其包括朝向前向波的背向反射波。这些类型的天线阵列的范围频率范围为100 – 1000MHz。

优缺点

天线阵列的优点包括以下几点内容:

  • 信号强度急剧增加。
  • 可以实现高方向性。
  • 小裂片的尺寸急剧减小。
  • 获得高信噪比是可能的。
  • 可以获得很大的收益。
  • 减少了电力浪费。
  • 阵列天线设计只是为了支持天线更好的性能。

天线阵列的缺点包括以下几点内容:

  • 价格较为昂贵。
  • 电阻损耗将会增加。
  • 需要高维护。
  • 安装很困难。
  • 占据了巨大的外部空间。

应用领域

阵列天线应用包括以下几方面内容:

  • 阵列天线对于提高整体增益、增加SINR(信号干扰加噪声比)、消除干扰、提供分集接收、在特定方向内移动阵列、测量传入信号的到达方向等非常有帮助。
  • 阵列天线用于无线、军用雷达和卫星通信。
  • 阵列天线用于天文观测。
  • 主要适用于长途通信和移动通信。
  • 阵列天线用于长距离传输和接收需要高信号强度的地方。

阵列天线和相控阵天线区别

阵列天线和相控阵天线是两种不同类型的天线系统,它们在天线元素的布置和工作原理上存在显著区别。以下是它们之间的主要区别:

  1. 天线元素布置:

    • 阵列天线:阵列天线由一组天线元素组成,这些元素通常按照规则的几何排列,如线性排列、矩形排列或圆形排列。这些天线元素可以是相同的,也可以是不同的,它们一起工作以形成天线系统。

    • 相控阵天线:相控阵天线也由一组天线元素组成,但它们通常被布置在特定的几何结构中,以便进行电子控制。每个天线元素可以独立控制其相位和振幅,以实现定向波束形成和电子扫描。

  2. 波束控制:

    • 阵列天线:阵列天线通常具有固定的波束指向,其主要方向和辐射特性由天线元素的布置决定。它们不能进行电子扫描或实时改变波束指向。

    • 相控阵天线:相控阵天线具有灵活的波束控制能力。通过精确调整每个天线元素的相位和振幅,可以实现对波束方向的实时控制,使其能够跟踪目标、抵抗干扰或改变通信方向。

  3. 应用:

    • 阵列天线:阵列天线通常用于广播、无线通信、雷达、天线阵列的基础设施和固定通信系统等应用,其中静态波束足够满足要求。

    • 相控阵天线:相控阵天线通常用于需要快速波束控制、目标跟踪和抗干扰的应用,如军事雷达、航空雷达、卫星通信和无人机等。

常见问题答疑

什么是天线阵列增益?

答:天线阵列增益可以定义为在使用单个各向同性辐射器辐射相似功率的情况下,指定方向内的强度与所获得的辐射强度的比率。

天线阵列的用途是什么?

答:天线阵列的目的是通过作为单个天线来发射/接收无线电波。

什么是好的天线增益?

答:好的天线增益是3dB、6dB等。

天线阵列的阵列因子是多少?

答:天线阵列系数是天线在阵列内的位置和所使用的权重的函数。因此,这个因素可以显着改变特定天线元件的方向性特性。因此,这种现象主要是在天线连接在一起时观察到的。

总结

阵列天线是一种相对简单的天线系统,其天线元素排列固定,波束方向不可调,适用于许多静态应用。简单来说,阵列天线仅使用多个天线来捕获和传输不同方向的信号。因此,天线阵列主要用于提高信号的质量和范围。

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