基于HFSS的天線陣列計算方法比較分析（一）

摘要：陣列天線具有增益高、波束窄、指向可控等特點，在雷達和移動通信等場合得到廣泛應用。陣列天線由于單元數較多，全陣列仿真計算對資源要求高，且需要花費大量時間。本文借助HFSS軟件提供陣列計算幾種常用的方式，通過比較分析各自優缺點，總結出最為準確的結果，為陣列計算提供一定參考和指導。

關鍵詞：陣列天線；HFSS

一、原理介紹

天線陣列原理介紹以二元陣為基礎作簡要介紹如下。

二元陣原理示意圖

間距為d的二元陣是分析天線陣列的基礎，也很直接的表述了方向圖乘積定理：任何由相同陣元組成天線陣的遠場輻射方向圖都是陣元因子（Element Factor，EF）和陣因子（Array Factor，AF）的乘積。AF取決于陣元的幾何排布、陣元間距及每個陣元的相位，與陣元的幾何形狀無關。天線陣最準確的表示必須包含相鄰天線陣元間的耦合影響以及天線陣的邊緣效應。

第二部分的應用，基本上都是利用方向圖乘積定理；部分采用全陣元完全計算。

需要注意的幾點：

1.陣列單元天線之間的間距對單元之間的互耦和陣列的增益影響比較大，拉大距離會降低耦合、增加陣列增益，同時也會使波束變窄，但是過大間距會引入過多的柵瓣；

2.基于實際情況對尺寸的限制，單元數和單元間距就需要犧牲，相應的就是互耦提升和增益下降；

3.一般情況單元間距為工作中心頻率的半波長（或者介質、波導波長的一半），此種情況下theta=0處遠場的合成正好是同相相加；

4.陣列電掃描時，需要復雜的饋電網絡，同時也要考慮波束指向區的遮擋以及低掃描角時陣列本身對波束的影響。

5.指向角θ與饋電相位φ關系：

Φ=kd·sinθ

其中k為波數，d為單元間距。

6.常見規則陣列不出現柵瓣（或低柵瓣電平）排布間距：

①對于矩形陣形式單元間距：

其中d_x和d_y分別是x、y軸方向上單元間距，θ_s是陣列最大掃描角；θ_s=0時，為邊射陣（broadside），單元間距小于λ/2；θ_s=π/2時，為端射陣（end-fire），單元間距小于λ；

②對于等腰三角陣形式單元間距：

其中d_x和d_y分別是x、y軸方向上單元間距，θ_s是陣列最大掃描角，α為等腰三角形腰與x軸的夾角，π/6≤α≤π/3。

等腰三角陣列排布示意圖