天線陣列

單一天線的方向性是有限的，為適合各種場合的套用，將工作在同一頻率的兩個或兩個以上的單個天線，按照一定的要求進行饋電和空間排列構成天線陣列，也叫天線陣。構成天線陣的天線輻射單元稱為陣元。

基本介紹

• 中文名：天線陣列
• 外文名：antenna array
• 所屬科學系：物理系

主要作用

（1）加強和改善輻射場的方向性。

（2）加強輻射場的強度。

工作原理

天線陣的工作原理可以看成是電磁波（電磁場）的疊加。對幾列電磁波來講，當它們傳到同一區域時，按照疊加原理，電磁波將產生矢量疊加。疊加結果不僅與各列電磁波的振幅大小有關，而且與它們在相遇區間內相互之間的相位差有關。

我們知道，電磁波的相位組成包含三部分：時間相位，空間相位，初相位。就初相位來講，當發射天線和工作頻率確定後，其初相位就是確定的，而在幾列電磁波相遇的時刻，時間相位也是確定的，只有空間相位可能發生變化，因為組成天線陣列的各單元天線位置不同，各自發出的電磁波傳到同一接收區域時所走的空間路徑不同，這樣就會造成空間相位的數值大小不相同。正是由於位於不同位置上的發射天線所發出的電磁波傳到同一接收區域造成的空間相位出現差別，必然引起幾列電磁波在相遇區域形成同相位疊加，總場強增強，反相位疊加，總場強削弱。若總場強的增強和削弱區域在空間保持相對固定，就相當於用天線陣改變了單個天線的輻射場結構，這就是天線陣改變輻射場大小和方向性的原理。

分類

天線陣列也可以按照天線元的連線方式分類。相控陣的所有元都連線到饋線，對於單個天線元，還有相位偏移、功率分配和阻抗匹配等問題，但是他們都接收來自於饋線的功率（假設為發射天線）。由於發射機提供了用於“驅動”各個天線元的功率，因此這種天線也叫“被驅動陣列”。另一方面，有些天線陣列中只有一個天線元與饋線相連線，而其他元的工作則是吸收和轉射來自被驅動天線元的輻射功率，這些天線元叫做“寄生元”，這種天線叫做“寄生陣列”。

相控陣按最大輻射方向，可分為垂射和端射兩種。如果天線陣列的最大輻射方向與天線的主軸（這個主軸並不一定與其中單個天線元的主軸相同）相垂直，則稱這種天線為垂射天線陣列；如果最大輻射方向沿著天線的主軸，則稱為端射天線。

特性

相控陣

（1）直排陣列

直排陣列是垂射陣列的一種類型，各天線元的軸沿著同一條直線放置。以半波偶極子直排陣列為例，所有天線元在陣列主軸方向上都沒有能量輻射，因此在這個方向上沒有信號；但在陣列的一側所有天線單元都有能量輻射（要考慮相位問題）。

直排陣列天線安裝時，通常是主軸垂直放置。它們在水平方向上是全方向性的，但是在垂直平面內的輻射角較小。因此，它們適合製作很好的移動無線系統基站天線。許多蜂窩無線系統和PCS系統的基站使用的是直排陣列。

（2）垂射陣列

將天線單元按多列同向排列，陣列的主軸與單元的主軸垂直，也能組成一個垂射陣列，安裝時使主軸垂直放置。次陣列中天線元雖然不是直排的，但仍然是同相位。與直排陣列不同的是它們的極化方式。以偶極子天線陣列為例，相鄰天線元間距為半個波長，並且饋線交叉連線。直排陣列是垂直極化天線，而垂射陣列是水平極化的。

（3）端射陣列

以偶極子天線為例，將上述垂射陣列中各相鄰天線元的饋線交叉連線改為平行連線，使得與每個天線元前後相鄰的兩個天線的相位差為180度，因此來自一個天線元的輻射在垂射方向上與相鄰的輻射抵消，在離開天線端點的方向上，來自天線元的所有輻射將疊加起來。這種天線安裝一般使其主軸水平，並使其輻射處於一個方向上。這種天線的極化方向取決與所使用天線單元的極化方向。

（4）繞桿式天線

繞桿式天線

以偶極天線元為例，繞桿式天線在水平面內獲得全向的性能，並且極化方式是水平的。偶極天線的饋電相位之差是90度。

繞桿式天線經常用於FM廣播接收，在這種套用中，繞桿式天線不需要轉子就可以在各個方向上表現出合適的性能。

（5）對數周期偶極天線陣列

這種天線的陣元是偶極天線，其中最長的偶極天線元的長度是最低工作頻率的半個波長，最短的天線元長度則小於最高工作頻率的半個波長。平行饋線與天線的窄端相連，功率可由交叉連線的網路饋電到其他偶極天線。

對數周期偶極天線陣列

（6）八木-宇田天線陣列是最為常用的有源天線陣列類型。八木天線是由一個有源振子(一般用折合振子)、一個無源反射器和若干個無源引向器平行排列而成的端射式天線。它具有一個被驅動的天線元，該天線元後面有一個反射器，前面有一到多個導向偶極天線。反射器的長度略長於半個波長，而導向偶極天線的長度略短於半個波長。各天線元間的間隔不盡相同，但一般都約為0.2個波長。

八木-宇田天線陣列