电磁课程中天线阵的教学与思考

薛红　曹文权　邵尉

摘要：通过对电磁课程中天线阵的教学和思考，以启发式教学模式进行实践，培养学生“把握实质，提炼思路”的科学思维方法，培养学生由“点”带“面”的推理能力。为了解决二到多单元天线问题，先学会解决一到二的问题，教学中引导学生学习天线的共性。结合三维仿真软件，使教学内容更为形象、直观，提高学生的学习兴趣和求知欲，取得较好的教学效果。

关键词：天线阵；二元；方向性

中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2018）32-0224-02

电磁课程是通信工程专业本科学生知识结构的必备模块之一，本课程注重提升素质教育、突出创新教育思想。

一、教学目标

天线阵是天线部分重要内容。单个天线的方向性是有限的，为了加强天线的定向辐射能力，可以采用天线阵。天线阵就是将若干个单元天线按照一定方式排列而成的天线系统，排列方式有直线阵、平面阵和立体阵。而实际的天线阵多用相似单元，即相似元，其类型、尺寸、架设方位相同。天线阵的辐射场是各单元天线辐射场的矢量叠加，通过调整各个单元天线辐射场之间的相位差，就可以得到所需要的方向性。我们直接研究复杂的天线阵，通常来说是比较困难的，前面学过单元天线，如果先解决一个到两个单元的问题，进而解决两个到多个单元的问题。我们从最简单的二元天线阵入手，学习天线阵的工作原理。

二、教学思路

在讲解天线概述、天线基本单元、特性参数和短振子、半波振子等天线单元理论知识之后，二元天线阵是研究天线阵方向特性的重要教学内容。通过本次课的学习，使学生掌握天线阵的基本概念和分类、了解其应用背景、掌握方向图乘積原理，为后续讲解均匀/非均匀直线阵等课程内容打下基础。我们围绕着三个方面展开教学，其一是：是什么，天线阵的基本概念；其二是：为什么，二元天线阵的工作原理——方向图乘积原理；其三是：怎么做，天线阵的应用推广。教学重点是天线阵的方向图乘积原理，教学难点是不同元因子和阵因子下方向图乘积原理的具体运用。理论分析二元天线阵的辐射过程，包括以下步骤：①通过例子引入二元天线阵的极化，并且给出清晰的授课主线；②从天线阵的基本定义出发，介绍不同分类方式下的阵列天线；③从最简单的单元天线的场分布出发，推导二元天线阵的场分布，最后引导学生思考并发现阵列天线中最为重要的定理——方向图乘积原理；④通过定量分析，分别以理想点源和短振子分别作为例子，让学生熟练掌握方向图乘积原理的绘图运用；⑤分析二元天线阵方向图的影响因素，进而呼应解决课前提出的问题。

三、教学实施

学起于思，思源于疑；施教之功，贵在引导。采用启发式教学模式的激疑吸引式，教学过程中教师思维引导学生，有意创设问题情境，从问题入手，促使他们开动脑筋，拓展思路，启发学生多想深思。本次课通过由很多个单元天线组成的相控阵天线在相控阵雷达中的应用作为例子，意欲让学生从中寻觅问题的“落脚点”，引出本次课内容。由天线阵的分类，立足于二元天线阵，掌握阵列天线的基本辐射定理—方向图乘积原理。

假设有两个相似元以间隔距离d放置在z轴上构成一个二元阵，其中阵元1为参考天线，阵元2相对于天线1的电流满足关系：I =mI e ，式中m表示阵元2上的电流振幅为阵元1的m倍，这里取为1。ξ表示两者的相位差。

根据前面所学，天线的场分布为：

E =Emf0（θ，φ） （1）

E =Emf0（θ，φ） e （2）

根据麦克斯韦方程线性特性，天线阵的场就是二者合成叠加，（1）+（2）可以得到

E=E +E =Emf0（θ，φ）[ + e ]

由于两阵元空间取向一致，并且结构完全相同，对于远区辐射场而言，可以根据远区条件 ≈ 和平行近似条件r =r -dcosθ有

E=Emf0（θ，φ） [1+e e ]

通过欧拉数学公式取模，可得到二元阵的场强方向函数为

f（θ，φ）=f （θ，φ）cos

式中，第一项表示组成天线阵阵元的方向图函数，其值仅取决于阵元本身的结构，体现了阵元的方向性对天线阵方向性的影响；第二项表示各向同性元所组成的天线阵的方向性，其值取决于天线阵的排列方式及其阵元上激励电流的相对振幅和相位，与阵元本身的结构无关。

通过改变元因子、阵因子的类型和参数观察二元天线阵的方向图特性，清楚直观地得出影响二元天线阵方向图的因素。当阵元为理想点源时

f（θ，φ）=1·cos

从函数可以分析得到，k是电磁波的波数，为2π/λ，跟工作波长或者频率有关，θ是自变量，那么只跟单元间距d和相差ξ有关。

通过Mathmatics软件进行分析，图中的两个点代表两个天线阵元，（a）图中假定相差ξ为零，间距d由小到大渐变，可以发现间距d影响天线阵的方向图，工程上不可能通过改变间距d来控制天线阵的方向图。（b）图中假定d为λ/2，改变相差ξ，ξ由小到大渐变，可以看出在单元间距一定的条件下，通过控制单元激励的初相位，可以使天线的最大辐射方向发生变化。

比较天线组阵前后，单元天线为理想点源全向的，没有方向性，组阵之后水平面为最大辐射方向，变得具有方向性了。组阵提高天线的方向性，这是高增益天线阵的基本工作原理。通过合理的控制不同单元天线的相位就能实现天线阵的波束扫描，这就是相控阵，这就解决了波束扫描问题。而装有相控阵天线的雷达，雷达天线可以不用转，通过电子移相器来控制天线阵的波束指向，进而探测不同方向不同位置的目标，实现了快速度的问题。

参考文献：

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