天线方向图(Antenna Pattern)的设计解析思路

天线方向图，是指在离天线一定距离处，辐射场的相对场强（归一化模值）随方向变化的图形，通常采用通过天线最大辐射方向上的两个相互垂直的平面方向图来表示。

天线方向图是衡量天线性能的重要图形，可以从天线方向图中观察到天线的各项参数。

天线方向图分类

1.在地面架设的线天线一般采用两个相互垂直的平面来表示其方向图。即：水平面方向图和铅垂面方向图。

2.超高频天线通常采用与场矢量相平行的两个平面来表示，即E平面方向图，H平面方向图。

3.按照坐标的选择可分为：直角坐标方向图，极坐标方向图，立体方向图等。

天线的特性参数

主要包括：主瓣宽度，旁瓣电平，前后比，方向系数等

1.主瓣宽度：是衡量天线的最大辐射区域的尖锐程度的物理量。通常取天线方向图主瓣两个半功率点之间的宽度。

2.旁瓣电平：是指离主瓣最近且电平最高的第一旁瓣的电平，一般以分贝表示。

3.前后比：是指最大辐射方向（前向）电平与其相反方向（后向）电平之比，通常以分贝为单位。

4.方向系数：在离天线某一距离处，天线在最大辐射方向上的辐射功率流密度与相同辐射功率的理想无方向性天线在同一距离处的辐射功率流密度之比。

天线增益

指在输入功率相等的条件下，实际天线与理想的辐射单元在空间同一点处所产生的信号的功率密度之比。它定量地描述一个天线把输入功率集中辐射的程度。增益显然与天线方向图有密切的关系，方向图主瓣越窄，副瓣越小，增益越高。

增益的物理含义

为了在一定的距离上的某点处产生一定大小的信号，如果用理想的无方向性点源作为发射天线，需要 100W 的输入功率，而用增益为 G = 13 dB = 20 的某定向天线作为发射天线时，输入功率只需 100 / 20 = 5W 。换言之，某天线的增益，就其最大辐射方向上的辐射效果来说，与无方向性的理想点源相比，把输入功率放大的倍数。

不同用途的天线要求其有不同的方向性，阵列天线以其较强的方向性和较高的增益在工程实际中被广泛应用。

线性阵列

线阵中各个单元天线的类型和取向均相同，且以相等的间隔d排列在一条直线上，且各单元天线的电流振幅相同，相位依次滞后同一数值。

阵列天线的辐射电磁场是组成该天线阵各单元辐射场的总和（矢量和），由于各单元的位置和馈电电流的振幅和相位均可以独立调整，这就使阵列天线具有各种不同的功能。

对于单元数很多的天线阵，用解析方法计算阵的总方向图相当繁杂。假如一个多元天线阵能分解为几个相同的子阵，则可利用方向图相乘原理比较简单地求出天线阵的总方向图。

一个复杂的天线阵可考虑多次分解，即先分解成大的子阵，这些子阵再分解为较小的子阵，直至得到单元数很少的简单子阵为止，然后再利用方向图相乘原理求得阵的总方向图。

这种情况适应于单元是无方向性的条件，当单元以相同的取向排列并自身具有非均匀辐射的方向图时，则天线阵的总方向图应等于单元的方向图乘以阵的方向图。

今天针对会员给出线性阵列和平面阵列的天线方向图程序。仿真结果如下：

线性阵列

在Matlab命令窗口输入Ftheta后，会跳出参数设置界面，输入线性阵列参数，点击结果即可得到下面不同坐标下的线阵的方向图。

平面阵列

上面平面阵列中有阵元数30*30，期望的俯仰角为20°，方位角为0°；参数可设，二维方向图以及切面图如上所示。