CST 天线仿真 | 阵列天线设计与仿真（一）——天线介绍

        阵列天线设计作为现代无线通信和雷达系统的关键技术之一，涉及复杂的电磁波传播、天线参数、阵列理论模型及辐射特性等基础理论。接下来我们将从阵列天线的概念、原理以及如何用仿真软件CST进行阵列天线仿真等方面带大家了解阵列天线。本篇文章重点介绍的是阵列天线的概念以及设计要点。

1.什么是阵列天线

阵列天线是由多个独立的天线单元按照一定规则排列，并通过馈电网络相互连接而构成的一个单一天线系统，如图1。利用电磁波的干涉原理，当多个阵元辐射的电磁波在空间相遇时，在某些方向上会同相叠加，使信号增强（形成主瓣）；在另一些方向上会反相抵消，使信号减弱（形成零陷和旁瓣）。通过这种方式，可以实现能量的定向集中发射和接收。

图1 新型平面阵列天线

2. 核心工作原理：波束成形

阵列天线最强大的能力就是波束成形或波束扫描。这是通过控制每个阵元的两个关键参数来实现的：

幅度加权：控制馈给每个阵元的信号功率大小。

相位偏移：控制每个阵元发射或接收信号的相位。

3. 阵列天线的关键类型

阵列天线可以根据多种方式分类：

l按阵元排列方式：

线性阵列：阵元排列在一条直线上。只能在一维平面内扫描。

平面阵列：阵元排列在一个平面上，可以在方位和俯仰两个维度上进行扫描。

共形阵列：阵元贴合在一个非平面的载体表面上，如飞机机身、导弹外壳。可以节省空间并保持空气动力学外形，但设计和控制非常复杂。

l按馈电和波束控制方式：

相控阵天线：通过移相器来控制每个阵元的相位，从而实现波束扫描。这是最主流、最成熟的电子扫描技术。广泛应用于雷达、5G基站等。图2即为一个相控阵天线的3D方向图。图3为相控阵雷达。

图2某相控阵天线方向图

图3相控阵雷达

数字波束成形阵列：每个阵元后面都连接一个独立的收发组件，包含ADC/DAC（数模/模数转换器）。所有波束成形（幅度和相位加权）都在数字域通过信号处理算法完成。也是5G MIMO和先进雷达的核心技术。

l按辐射特性：

侧射阵：波束方向与阵列轴线垂直。

端射阵：波束方向沿阵列轴线方向。

阵列天线通过将多个简单天线单元组合并协同控制，实现了单个天线无法企及的高方向性、波束敏捷性和多功能性。是现代无线系统的核心技术之一。

4.阵列天线的设计流程

在开始设计一个阵列天线之前，我们需要对项目需求进行详细分析，包括天线的使用环境、所需的频率范围、功率需求、方向图特性、天线尺寸限制等。根据这些需求选择合适的阵列类型，如均匀线阵、平面阵列、圆环阵列等。

其次，确定设计的参数范围，如阵列中单元的数量、单元间距、激励幅度和相位等，这些都是影响天线性能的重要因素。最后，选择合适的仿真软件进行初步设计，这里我们用的是达索系统仿真软件CST，其不仅可以建立复杂的天线模型并分析设计，而且还集成了许多阵列天线模型供大家学习。如图4。

图4 CST界面

CST天线建模及仿真具体步骤：

（1）建立阵列天线的几何模型

（2）设置电磁材料的属性和边界条件

（3）设定激励源，包括幅度和相位分布

（4）运行仿真计算天线的辐射特性

（5）分析仿真结果，如S参数、辐射方向图等

（6）进行优化和迭代改进设计

仿真时，工程师可以通过更改不同的天线参数，快速观察到参数变化对天线性能的影响，从而高效地进行设计迭代和优化。下期我们将具体介绍CST进行阵列天线设计与仿真的具体步骤以及阵列天线仿真时的一些关键点。