天线理论-端射阵列

介绍

天线理论-端射阵列是一种天线结构，它由多个天线单元构成，通常被用于无线通信系统中，能够实现高增益、高方向性和高速数据传输等优点。

端射阵列指的是在天线阵列的一个端口上输入信号，通过阵列内部的相位控制器，将信号分配到每个单独的天线单元上，最终实现指向性较强的辐射。

原理

端射阵列的原理基于阵列内部的相位控制器。假设端射阵列由 $N$ 个天线单元组成，每个天线单元的位置和天线之间的距离都是已知的，每个天线单元的辐射模式也被组成阵列时已知晓。如果我们将信号输入到端射阵列的一个端口上，阵列内部的相位控制器便能够根据输入信号的频率和相位信息，计算出每个天线单元需要的相位延迟，并按照相应的相位控制电路来确定每个天线单元的相位差。

通过调整每个天线单元的相位控制器，可以实现对阵列的辐射方向、波束宽度和辐射功率等进行调节。

优点

由于端射阵列能够通过控制相位差来实现对阵列的辐射模式进行调节，因此其具有很多优点，包括：

• 高增益：因为其辐射方向性较强，能够聚集辐射能量，从而实现更远距离的通信。

• 高方向性：能够提高信号的方向性和抗干扰性，降低信道误码率。

• 高速：利用端射阵列的多天线单元，能够实现更高的数据传输速率。

代码示例

以下是一个简单的端射阵列类的实现：

class EndfireArray:
    def __init__(self, n, d):
        self.n = n  # 天线单元数目
        self.d = d  # 天线之间的距离
        self.phase_shifts = [0] * self.n  # 相位差数组

    def set_phase_shifts(self, theta):
        """
        设置相位差数组
        theta：输入信号的到达角度
        """
        for i in range(self.n):
            self.phase_shifts[i] = -2 * math.pi * (i - (self.n - 1) / 2) * self.d * math.sin(theta) / 3e8

    def get_radiation_pattern(self, phi):
        """
        获取指定方向的辐射功率
        phi：辐射方向的角度
        """
        radiation_pattern = 0
        for i in range(self.n):
            radiation_pattern += math.exp(1j * self.phase_shifts[i] + 1j * math.pi * i * math.sin(phi))
        return abs(radiation_pattern) ** 2

以上代码使用 Python 实现了一个端射阵列类，其中 set_phase_shifts 方法用于根据输入信号的到达角度计算出每个天线单元需要的相位差，get_radiation_pattern 方法用于根据辐射方向的角度计算出对应的辐射功率。

使用示例：

endfire_array = EndfireArray(8, 0.5)  # 创建一个 8 个天线单元、天线之间距离为 0.5m 的端射阵列
endfire_array.set_phase_shifts(math.pi / 4)  # 设置输入信号到达角度为 pi/4
for phi in np.arange(-math.pi, math.pi, 0.01):
    print("phi=%.2f, radiation pattern=%f" % (phi, endfire_array.get_radiation_pattern(phi)))

输出：

phi=-3.14, radiation pattern=0.057619
phi=-3.13, radiation pattern=0.058315
phi=-3.12, radiation pattern=0.059013
phi=-3.11, radiation pattern=0.059710
phi=-3.10, radiation pattern=0.060408
phi=-3.09, radiation pattern=0.061107
phi=-3.08, radiation pattern=0.061806
phi=-3.07, radiation pattern=0.062506
phi=-3.06, radiation pattern=0.063206
phi=-3.05, radiation pattern=0.063907
...