微带阵列天线辐射方向

微带阵列天线辐射方向特性分析

微带阵列天线的辐射方向（方向图）是其核心性能指标之一，决定了天线在空间中的能量分布特性。以下从方向图形成原理、影响因素、优化方法及工程应用等方面展开，提供系统化的分析。

一、微带阵列天线辐射方向图的形成原理

天线lkk031.png

1. 阵元方向图与阵因子叠加

微带阵列天线的辐射方向图由阵元方向图（Element Pattern）和阵因子（Array Factor）共同决定：

E^{total} = E^{element} \times A F

阵元方向图：单个微带贴片的辐射特性，通常为宽波束（如半功率波束宽度约 $60^{\circ} \sim 120^{\circ}$ ）。
阵因子：由阵元间距、激励幅度和相位决定，反映阵列的空间相位分布特性。

2. 方向图主瓣与副瓣

主瓣（Main Lobe）：天线能量最集中的方向，增益最高。
副瓣（Side Lobe）：主瓣之外的其他辐射方向，通常需要抑制以减少干扰。
栅瓣（Grating Lobe）：当阵元间距过大时出现的额外主瓣，需避免。

二、影响微带阵列天线辐射方向的关键因素

1. 阵元间距（ $d^{x}, d^{y}$ ）

间距过小：互耦效应增强，可能导致方向图畸变或增益下降。
间距过大：可能产生栅瓣，尤其在 $d > λ$ 时（ $λ$ 为工作波长）。
推荐间距：通常为 $0.5 λ \leq d \leq λ$ ，以平衡增益与栅瓣风险。

2. 激励幅度与相位

均匀激励：所有阵元激励幅度相同，方向图对称。
非均匀激励（如泰勒加权）：通过降低边缘阵元激励幅度，抑制副瓣电平。
相位控制：通过移相器调整阵元相位，实现波束扫描或赋形。

3. 阵元数量与布局

阵元数量：增加阵元数量可提高方向性（增益），但会增加成本与复杂度。
布局形式：
- 线性阵列：方向图在阵列平面内为窄波束，垂直平面为宽波束。
- 平面阵列：可实现二维波束扫描，方向图更灵活。
- 共形阵列：适应非平面表面（如圆柱、球面），方向图可能不对称。

4. 馈电网络设计

串联馈电：结构紧凑，但损耗较大，可能导致方向图不对称。
并联馈电：损耗较小，方向图对称性好，但占用面积较大。
混合馈电：结合串联与并联，平衡损耗与方向图性能。

5. 基板材料与厚度

高介电常数基板：减小阵元尺寸，但可能增加馈电损耗，影响方向图带宽。
厚基板：增强辐射效率，但可能增加互耦效应，导致方向图畸变。

三、微带阵列天线辐射方向的优化方法

天线qqq101.png

1. 方向图综合技术

泰勒加权（Taylor Weighting）：通过优化阵元激励幅度，降低副瓣电平，同时保持主瓣宽度。
切比雪夫加权（Chebyshev Weighting）：实现等副瓣电平，但主瓣宽度可能较宽。
傅里叶变换法：通过设计阵因子，实现特定方向图（如扇形波束、余割平方波束）。

2. 波束扫描技术

相位扫描：通过移相器调整阵元相位，实现波束在空间中的扫描。
频率扫描：利用色散效应，通过改变频率实现波束扫描（但带宽受限）。

3. 稀疏阵列技术

非均匀间距：通过随机或确定性稀疏化阵元，减少栅瓣风险，同时降低副瓣电平。
部分阵元激活：在特定方向上激活部分阵元，实现动态方向图控制。

4. 共形阵列设计

曲面布局：将阵元布置在非平面表面，适应特定安装需求（如飞机、卫星）。
方向图补偿：通过优化阵元激励与相位，补偿曲面布局带来的方向图畸变。

四、微带阵列天线辐射方向的工程实践

案例1：8元线性微带阵列天线

设计目标：实现主瓣宽度 $20^{\circ}$ ，副瓣电平 $\leq -20 dB$ 。
实现方法：
1. 阵元间距： $0.8 λ$ 。
2. 激励幅度：泰勒加权（副瓣电平 $-25 dB$ ）。
3. 馈电网络：并联馈电，相位一致性 $\pm 5^{\circ}$ 。
仿真结果：
- 主瓣宽度： $18^{\circ}$ 。
- 副瓣电平： $-24 dB$ 。
- 栅瓣：无。

案例2：16元平面微带阵列天线

设计目标：实现二维波束扫描（方位角 $\pm3 0^{\circ}$ ，俯仰角 $\pm1 5^{\circ}$ ）。
实现方法：
1. 阵元布局： $4 \times 4$ 平面阵列，阵元间距 $0.7 λ$ 。
2. 相位控制：数字移相器（精度 $5.62 5^{\circ}$ ）。
3. 馈电网络：混合馈电（串联 + 并联）。
测试结果：
- 波束扫描范围：方位角 $\pm2 8^{\circ}$ ，俯仰角 $\pm1 4^{\circ}$ 。
- 增益波动： $\pm1 dB$ 。

五、微带阵列天线辐射方向的测试与验证

1. 方向图测试方法

近场测试：在紧邻天线表面处测量场强分布，通过近场-远场变换得到远场方向图。
远场测试：在天线远场区（ $R \geq 2 D^{2} / λ$ ， $D$ 为天线口径）直接测量方向图。

2. 关键测试参数

主瓣宽度（3dB 波束宽度）：衡量方向性。
副瓣电平：衡量干扰抑制能力。
前后比：主瓣与后瓣增益之比。
交叉极化电平：衡量极化纯度。

六、结论：微带阵列天线辐射方向设计的关键点

阵元间距与布局：合理设计阵元间距与布局，避免栅瓣，优化方向图主瓣与副瓣。
馈电网络与相位控制：通过低损耗馈电网络与精确相位控制，实现方向图的灵活调整。
方向图综合技术：采用泰勒加权、切比雪夫加权等技术，平衡副瓣电平与主瓣宽度。
工程实现与测试：通过仿真与测试验证方向图性能，确保满足设计需求。

七、推荐实践

仿真优先：在设计阶段使用电磁仿真软件（如HFSS、CST）优化方向图。
模块化设计：将阵列划分为子阵，降低设计复杂度。
动态校准：在实际应用中通过校准算法补偿方向图误差。

通过以上方法，可系统化地设计与优化微带阵列天线的辐射方向，满足不同应用场景的需求。

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