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天线阵的原理与应用

前言

随着科技的发展，有线通信渐渐被无线通信所替代。人们尝到了无线通信带来的方便，

已经离不开它。现代生活中，移动电话，电视，收音机，无线路由，无线电导航，雷达等

等，无一不体现着无线生活带来的便利。而这些无线的设备离开导线后之所以还能够正常

使用，天线在其中扮演着重要的角色。

天线的发明距今已有100多年的历史，第一个天线是德国物理学家赫兹在1887年为

验证英国数学家麦克斯韦预言的电磁波而设计的。它的发射天线是两根30cm的金属杆，

杆的终端连接两块40cm见方的金属板，采用火花放电激励电磁波，接收天线是环天线。

早期的无线电主要应用于远洋通信，第一次使用它是在1901年，意大利物理学家马

可尼采用一种大型天线，其发射天线为50根下垂铜线组成的扇形结构，顶部用水平横线

连在一起，横线挂在两个高10英尺，相聚200英尺的塔上，电火花放电视发射机接在天

线和地之间。

天线应用最早是在长波远洋通信上，这时天线的主要发展集中在长波波段上。自1925

年以后，中、短波无线电广播、通信开始逐渐应用，而后的各种中、短波天线得到迅速的

发展。第二次世界大战中，雷达的应用促进了微波天线特别是反射面天线的发展，在这以

后的30多年是无线电电子学飞速发展的时代，微波中继通信、散射通信、电视广播的飞

速发展，特别是20世纪50年代后期，人类进入太空时代，对天线提出了许多新的要求，

出现了许多新型天线。

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在实际的无线电系统中，为了完成特定的任务和提高工作性能，在电气上有的需要特

殊波束的天线，有的需要天线有很强的方向性（很高的增益）。这是就要采取天线阵的方式

来解决这类问题。

本文将对天线阵的原理做一些定性分析，同时讨论其应用方向。

摘要

两个或两个以上的个别的(或离散的)天线组成的天线系统称为天线阵（又称阵列天线

或离散阵列）。构成天线阵的个别天线叫做天线元（或辐射元），简称为阵元。阵元排列方

式有线阵、平面阵和空间阵。从性能和使用的特殊要求来分类，阵列天线可分为：一般阵

列、相位控制阵列、自适应阵列和信号处理阵列。天线阵的主要参数为：阵元数、阵元的

空间分布、各阵元的激励幅度和激励相位。

关键字

阵列；天线；排列；方向图

第一部分天线阵的辐射特性

一、方向性

1、天线阵的辐射特性决定于阵列的单元数目、分布形式、单元间距、激励幅度和相

位，控制这五个因素可以改变辐射场特征。同时也要考虑单元本身的特性对阵列总特

性的影响。天线辐射特性在空间是变化的，这里就要引入一个关系图，它描述天线辐射特

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性随着空间方向坐标的变化关系。天线方向图用来描述电（磁）场强度在空间的分布情况，

常用般功率波瓣宽度来表示方向图的宽度。如下图。

2、天线阵的方向图相乘原理：一个天线阵的方向函数等于单个天线元的方向函数和阵

方向函数的乘积。阵方向函数是阵中各天线元的位置、激励电流幅度和相位的函数。

二、天线的电气参数

除了上面所提到的方向图，天线还具有另外四项电气参数，即：

1、天线输入阻抗天线输入阻抗是天线馈电点处的电压与电流之比。通常是一个复阻

抗，而且是频率的函数。

2、驻波系数（VSWR）驻波系数是天线馈线上的一个特征参数，它反映了天线输入

阻抗与馈线特性阻抗的匹配程度，定义为馈线上最大电压与最小电压之比。

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3、增益G在天线输入功率相同的情况下，某天线在最大辐射方向的场强平方，与理

想的无方向性的点源在相同处产生的场强平方之比，常用分贝表示。

4、极化特性天线极化特性表示天线在最大辐射方向上电场的极化形式。可分为线极

化、圆极化和椭圆极化。

三、天线增益

天线