[天线原理及设计>基本原理] 3. 辐射方向图或天线方向图

《Antenna_Theory_Analysis_and_Design_3rd_Constantine_A._Balanis.pdf》

3. 辐射方向图或天线方向图

天线辐射方向图或天线方向图(radiation pattern or antenna pattern)被定义为“天线辐射特性随空间坐标变化的数学函数或图形表示。在大多数情况下，辐射模式是在远场区域确定的，并表示为方向坐标的函数。辐射特性包括功率通量密度、辐射强度、场强、方向性、相位或极化。

最受关注的辐射特性是辐射能量的二维或三维空间分布，这是观察者沿恒定半径的路径或表面的位置的函数。一组方便的坐标如图2.1所示。

以恒定半径接收到的电场（磁场）的轨迹称为振幅场图。另一方面，功率密度沿恒定半径的空间变化图称为振幅功率图。通常，场和功率图会根据其最大值进行归一化，从而得到归一化的场和功率图案。

此外，功率模式通常以对数标度或更常见的指数（dB）绘制。这个比例通常是这是可取的，因为对数尺度可以更详细地集中图案中值非常低的部分，稍后我们将称之为旁瓣。对于天线

场图（线性标度）通常表示电场或磁场的幅度作为角空间的函数的图。
功率图（线性尺度）通常表示电场或磁场幅度的平方作为角空间的函数的图。
功率图（单位为dB）表示电场或磁场的大小，作为角空间的函数。

为了证明这一点，使用间距d=0.25λ的各向同性源的10元线性天线阵列的二维归一化场图（以线性比例绘制）、功率图（以线性比例绘制）和功率图（在对数dB比例上绘制），如图2.2所示。

在这个和后续的图中，波瓣中的加号（+）和减号（-）表示各个波瓣之间振幅的相对极化，当零点交叉时，振幅会发生变化（交替）。要找到图达到其半功率（-3 dB点）的点，相对于图的最大值，您可以设置：

最大值为0.707时的场模式，如图2.2（a）所示

最大值为0.5时的功率模式（线性标度），如图2.2.（b）所示

最大值为-3 dB时的功率图案（dB），如表2.2（c）所示。

1.1. Radiation Pattern Lobes 辐射瓣

辐射瓣是“由相对较弱的辐射强度区域界定的辐射模式的一部分”。图2.3（A）展示了具有多个辐射瓣的对称三维极性模式。有些辐射强度比其他辐射强度大，但都被归类为波瓣。图2.3（b）显示了线性二维图案[图2.3（a）的一个平面]，其中显示了相同的图案特征。

主瓣(major lobe, or main beam) 被定义为“包含最大辐射方向的辐射瓣”。在图2.3中，主瓣指向 θ=0方向。在某些天线中，如分束天线，可能存在多个主瓣。
副瓣(minor lobe) 是指除主叶之外的任何叶。在图2.3（a）和（b）中，除主瓣外，其他的都可以归类为副瓣。
旁瓣(side lobe) 是“除预期波瓣外的任何方向上的辐射波瓣”。（通常旁瓣与主波瓣相邻，并在主波束方向上占据半球）
后波瓣(back lobe) 是“一种辐射波瓣，其轴与天线波束成约180°角”通常，它指的是在与主叶相反的方向上占据半球的副叶。

副瓣通常代表不希望的方向的辐射，应该尽量减少。旁瓣通常是副瓣中最大的。

副瓣的电平通常表示为瓣中功率密度与主瓣功率密度的比值。这个比率通常被称为旁瓣比或旁瓣电平。

在大多数应用中，-20dB或更小的旁瓣电平通常是不理想的。达到小于-30 dB的旁瓣电平通常需要非常仔细的设计和构造。在大多数雷达系统中，低旁瓣比对于通过旁瓣尽量减少虚假目标指示非常重要。

以线性比例绘制的间距为d=0.25λ并且渐进相移β=−0.6π的各向同性源的10元线性天线阵列的归一化三维远场振幅图，如图2.4所示。很明显，这种模式有一个主叶、五个副叶和一个后叶。旁瓣的电平相对于最大值约为-9dB。