1.4　阵列天线

天线是一种用于发射和接收电磁能量的设备。在许多场合，通过单个天线（或称单个辐射器）就可以很好地完成发射和接收电磁能量的任务，如常用的各种线天线、面天线、反射面天线等，其本身就可以独立工作。但这些天线形式一旦选定，其辐射特性便相对固定了，如波瓣指向、波束宽度、增益等，这就造成了某些特殊应用场合的局限性，如雷达天线一般要求较强的方向性、较高的增益、很窄的波束宽度、波束可以实现电扫描及一些其他特殊指标，单个天线往往不能达到预定的要求，这时就需要多个天线联合起来工作，共同实现一个预定的指标，这种组合造就了阵列天线。若干天线（辐射器）按照一定的方式安排和激励，利用电磁波的干涉原理和叠加原理来产生特殊的辐射特性，这种多辐射器的结构就称为天线阵，构造成的按阵列排列的多天线可以看作一个独立的天线，称为阵列天线，构成阵列天线的单个辐射器称为单元。

对阵列天线的研究和设计常采用阵列天线综合法。近几十年来，天线阵列方向图的综合问题引起了人们的广泛关注，并且随着全球通信业务的迅猛发展，智能天线已经成为卫星通信和移动通信的研究热点。天线通信系统一般要求天线阵列方向图具有一定的主瓣宽度、特殊的主瓣形状和低的旁瓣电平等，因此需要根据这些指标，运用相关算法获得最佳的天线阵列权值系数，这种技术称为阵列方向图综合。

阵列方向图综合问题最初的研究工作集中在由均匀分布、各向同性元构成的阵列天线上。1946年，Dolph首先提出在均匀线阵的基础上实现切比雪夫方向图的综合方法，这一方法解决了在主瓣宽度一定的条件下，如何使旁瓣峰值电平最低的阵列方向图综合问题。Taylor、Hyneman、Elliott提出了各种具有均匀旁瓣的阵列方向图综合方法。但是上述方法的共同特点是只适用于由均匀分布的各向同性阵元构成的阵列，而不能直接用于任意阵列。1990年，Olen和Compton提出将自适应原理应用于阵列方向图综合中。这种方法有很多通用性，可用于任意阵列，但该方法的收敛特性在很大程度上取决于循环增益K，K值很难选取，只能使用试凑法来选取，另外该方法的精度也无法得到保证。

阵列方向图综合是指按规定的方向图要求，用一种或多种方法来进行天线系统的设计，使系统产生的方向图与所要求的方向图良好逼近。因此，阵列方向图综合问题实际上是天线分析的反设计，即在给定阵列方向图要求的条件下设计辐射源分布，所要求的阵列方向图随着应用的不同而有多种变化。例如，车载通信、地—空或陆—海搜索雷达所用的天线往往需要产生一种扇形波束，即在方向图主瓣范围内（扇形空间）有均匀辐射，除此之外的空间应无辐射。又如，某同步轨道中的通信卫星要求产生分离的双波束，一个波束对准美洲西部，另一个波束对准阿拉斯加，即要求有两个主瓣，且主瓣区内要均匀辐射，照射地球的其他区域的旁瓣应尽量低以减少干扰，照射地球之外的其他区域则允许有较高的旁瓣。阵列方向图综合对于相控阵雷达同样具有重要意义，对于预警雷达而言，总是希望阵列方向图主波束尽量窄、旁瓣尽量低，这样就易于发现目标、降低干扰的影响。

相控阵是阵列天线的一个典型代表，它通过改变阵列的馈电相位，来移动整个阵列天线合成波束。相控阵具有控制灵活、天线结构和转动机械要求低、波束扫描快和精度高等优势，尤其是随着电子技术的进步，使得基于半导体的控制电路成本越来越低、一致性越来越好，这种扫描方式已经逐渐占据了主导地位。目前不仅在高成本的雷达领域，甚至在传统上采用低成本抑制天线和机械扫描天线的通信领域，都已经或即将广泛应用，成为先进技术和高性能天线的象征。自适应阵和智能阵是指对各阵元接收的信号加以处理，使阵列变得积极，并对环境做出聪明的反应的阵列，可以操纵其波束指向想要的信号，且同时操纵其零点方向指向不想要的干扰信号，从而使所要信号的信噪比最大化；此外，借助对各阵元馈端上信号的适当取样和数字化，并用计算机加以处理，从原理上讲，能构成非常智能的天线阵。