淺議天線陣列的原理與在“動中通”系統中的應用

【摘要】由于單個天線的輻射方向性是全向的，為了使天線具有定向輻射的能力，將單獨的天線按照一定的方式進行排列，形成一個天線陣列系統，可以增強其輻射方向性。排列方式可以選擇直線陣、平面陣或者是立體陣。經研究模擬仿真，以直線陣列為例，對天線陣列的相關原理進行論述并闡述了在“動中通”通信系統中天線陣列的作用。

【關鍵詞】天線陣列動中通方向性輻射

現代社會中，無線通信方式逐漸變成了通信的主流方式，為了滿足人們對無線通信日趨強烈的需求，天線的研發逐漸向著小尺寸、多波段、高帶寬、智能化的方向發展。在移動車載、衛星通信、“動中通”通信等領域，天線的小尺寸性、智能性發揮著極為重要的作用。尤其是在“動中通”通信系統中，天線陣列為“動中通”天線系統的定向追蹤起到了最重要的作用。

一、天線及天線陣的工作原理及仿真

在天線理論中，最基本的單元為天線振子，天線振子可以看作是一段理想的載有高頻電流并且其長度又遠遠小于電流波長的直導線，天線陣子是構成其他形式的天線的要素、基礎。

根據天線的基本理論以及相關的電磁場理論可以得知，單個天線振子的信號輻射狀態，可以由式（1）來描述：

由圖1可以看出，天線振子的能量輻射可以看作是全向輻射。

由于單個天線振子的能量輻射的方向是全向的，在實用中除去室內無線路由器等應用領域，這種無方向性的單個天線振子滿足不了人們的應用需求，于是，工程上將兩個天線振子放到一起組成一個二元天線陣列，以改變其方向性。

圖2中兩個天線振子到空間中某一點P的距離分別為r1和r2，存在著一個路程差：駐r=dcos啄，d為兩個天線之間的距離，啄為電磁波與天線陣軸的夾角。兩個天線振元在P點的合成場強可以表示為：

式（4）中，第一項是天線陣振元因子，又稱自因子，其值取決于天線單元的架設方式，第二項為天線陣的陣因子，其值取決于兩個天線的電流比值以及振元之間的相對位置。通過參數值的設置，可以利用Matlab繪制出等幅同相、等幅反相、等幅不同相等情況條件下天線陣列的立體方向圖3～5：

利用Matlab可以得到當N=6時天線陣的立體方向圖，如圖6：

通過對比N為6時和N為2時天線陣的方向圖可以知道，當振元個數增加時，天線陣的方向性變得更強。

二、天線陣在“動中通”衛星通信系統中的應用

通過上述分析，可以得出結論，當天線陣的振元個數改變會影響天線陣輻射方向的改變，并且當改變振元間距天線單元、尺寸以及天線電流相位差時，天線陣的輻射方向也會發生相應的變化。在實際應用中，對天線輻射的方向性有較高要求的領域，應采用天線陣的形式對信號進行發送和接收。

“動中通”衛星通信是目前在移動通信領域發展比較快速并且在視頻會議以及軍用領域都起著重要作用的一種新型的通信方式。由于“動中通”衛星通信系統是為了滿足用戶在移動狀態下進行寬帶數據傳輸業務，因此對天線的數據傳輸功能有著較為嚴格的要求。

“動中通”衛星通信系統利用的是一種車載形式的衛星通信天線系統，要求在實際工作狀態下，不論工作環境的變化或是運動載體的運動狀態的變化，都要求衛星始終與“動中通”系統的天線進行連接，全程跟蹤天線的位置，保證通信過程不間斷。尤其在移動指揮系統中，“動中通”衛星通信技術占據著核心地位，通過通信網絡，利用現代通信技術手段，組成的移動現場通信指揮系統，可以保證前方現場和指揮中心進行不間斷的通信聯系，保證指揮中心及時準確地對現場情況進行判斷，并做出相應的決策。所以，“動中通”衛星通信系統的天線的方向性問題就變得尤為關鍵，往往通信的暢通與否就會決定一場戰事的成功或者失敗，這對“動中通”天線系統的要求就變得很高。因此，在設計“動中通”天線系統的時候，要充分考慮方向性的問題。

“動中通”天線系統通常有相控陣天線、光導陀螺天線、信標跟蹤天線等，不論“動中通”采取哪一種類型，其核心都是要保證天線和衛星的連接，可以全天候地在任何天氣環境狀態下維持正常的工作狀態，并提供足夠的帶寬保證業務需要。

常用的“動中通”天線系統中，相控陣天線采用的就是天線陣列的形式。根據分析天線陣列在輻射方向上的特點，因為相控陣天線采用了天線陣列的形式，這樣既可以保證天線在一定的波束方向上的定向輻射能力又可以從整體上提高天線的方向性和穩定性，并且由于相控陣天線由上百個天線陣元組成。因而在“動中通”衛星通信系統的實際應用中，天線陣列通常是一個首選方案。

目前，國際上常用的“動中通”通信天線系統往往就會采用天線陣列的形式，例如以色列Starling公司的MiJET型天線，該系統采用了寬帶天線單元、多天線子陣合成技術，以提高天線方向性以及跟蹤性能。

天線陣列技術作為IT行業中主要的移動通信天線技術正在以前所未有的速度向前發展。未來，陣列天線也將更加廣泛地應用于移動通信中。

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