基于HFSS的天线阵列计算方法比较分析（一）
摘要：阵列天线具有增益高、波束窄、指向可控等特点，在雷达和移动通信等场合得到广泛应用。阵列天线由于单元数较多，全阵列仿真计算对资源要求高，且需要花费大量时间。本文借助HFSS软件提供阵列计算几种常用的方式，通过比较分析各自优缺点，总结出最为准确的结果，为阵列计算提供一定参考和指导。
关键词：阵列天线；HFSS
一、原理介绍
天线阵列原理介绍以二元阵为基础作简要介绍如下。
二元阵原理示意图
间距为d的二元阵是分析天线阵列的基础，也很直接的表述了方向图乘积定理：任何由相同阵元组成天线阵的远场辐射方向图都是阵元因子（Element Factor，EF）和阵因子（Array Factor，AF）的乘积。AF取决于阵元的几何排布、阵元间距及每个阵元的相位，与阵元的几何形状无关。天线阵最准确的表示必须包含相邻天线阵元间的耦合影响以及天线阵的边缘效应。
第二部分的应用，基本上都是利用方向图乘积定理；部分采用全阵元完全计算。
需要注意的几点：
1.阵列单元天线之间的间距对单元之间的互耦和阵列的增益影响比较大，拉大距离会降低耦合、增加阵列增益，同时也会使波束变窄，但是过大间距会引入过多的栅瓣；
2.基于实际情况对尺寸的限制，单元数和单元间距就需要牺牲，相应的就是互耦提升和增益下降；
3.一般情况单元间距为工作中心频率的半波长（或者介质、波导波长的一半），此种情况下theta=0处远场的合成正好是同相相加；
4.阵列电扫描时，需要复杂的馈电网络，同时也要考虑波束指向区的遮挡以及低扫描角时阵列本身对波束的影响。
5.指向角θ与馈电相位φ关系：
Φ=kd·sinθ
其中k为波数，d为单元间距。
6.常见规则阵列不出现栅瓣（或低栅瓣电平）排布间距：
①对于矩形阵形式单元间距：
其中dx和dy分别是x、y轴方向上单元间距，θs是阵列最大扫描角；θs=0时，为边射阵（broadside），单元间距小于λ/2；θs=π/2时，为端射阵（end-fire），单元间距小于λ；
②对于等腰三角阵形式单元间距：
其中dx和dy分别是x、y轴方向上单元间距，θs是阵列最大扫描角，α为等腰三角形腰与x轴的夹角，π/6≤α≤π/3。
等腰三角阵列排布示意图
