3.2 辐射单元的阵列结构

由若干个辐射单元以各种形式（如直线、圆环、三角和平面等）在空间排列组成的天线系统称为辐射单元的阵列结构。最简单的二元阵如图3-15所示。

以下因素对于天线阵列的辐射方向图有决定作用。

（1）阵元数目。

（2）阵元排列方式。

（3）阵元间距。

（4）每个阵元的馈电电流的大小和相位。

均匀直线阵是最常见的一种辐射单元阵列。直线阵由N个相同的单元天线等间距地排列在一条直线上构成。若各单元上的馈电电流大小相同，而相位沿线均匀递增或递减，这样的直线阵称为均匀直线阵。图3-16所示为N元直线阵。

若第1单元的电流为 I0ej0，递增的相位值为 ξ，则第 n 单元的电流可表示为 In = I0ej(n -1)ξ，N元均匀直线阵的辐射场由N个单元的辐射场叠加获得，即：

若N=10，各单元馈电电流等幅同相，单元间距为 λ/8，设：

则方向性函数为：

在水平面内：

式（3-4）的计算结果如图3-17（a）所示。而在垂直面内：

式（3-5）的计算结果如图3-17（b）所示。

图3-17显示的现象，是由于电磁波在空间的矢量叠加效应造成的，如图3-18所示。

从图3-17可以看到，天线方向图一般呈现出对称的两瓣，而实际工程中往往需要向一侧辐射的方向图，一般采用加反射板的方法来实现，本章后面会有说明。阵列的增益一般和单元数量n呈正相关，同时也和单元间距有关系，如图3-19所示，该图作为实例，仅为特定条件下的情况。

例如，某单个辐射单元的结构和方向图如图3-20所示，该结构已经包含了反射板。当若干个单元构成阵列后，阵列结构和对应方向图如图3-21所示。

图3-22给出了若干种不同类型辐射单元构成的阵列。

实际的阵列方向图形成机理除了式（3-1）～式（3-5）所述规律外，还要考虑到各微带单元之间存在互耦效应。互耦导致单元在阵中的方向图与孤立元的方向图不同、阵中单元的输入阻抗与孤立元的输入阻抗不同，这会引起阵列的失配和单元效率（或增益）的变化，这种变化是相对于理想理论模型预期的。这就需要通过优化设计降低互耦效应。

对于双极化天线，简单来说就是两个单极化天线的拼接，如图3-23所示。但在阵列的实现上，如何拼接、如何在有限的体积内降低耦合，需要经过精心的设计。图3-24显示了一个并排式双频双极化基站天线内部的辐射单元排布图，显然阵列中包含两种大小不同的阵子，对应不同的频率，为了实现双极化，振子也是交叉摆放。实现好的布局，要不断调整间距、高低、角度等几何量，通过仿真和测试逐步找出那个最优的方案。