当我们研究和原型用于高速和高数据速率通信的分阶段阵列天线时，我们可以使用天线阵列因子节省时间和计算成本。这样，我们就不需要通过完整的3D波方程来分析整个结构。
物联网，iOS，SATCOM和5G中的天线应用
这re is a common theme among today’s trendy RF buzzwords, such as internet of things (IoT), internet of space (IoS), satellite communication (SatCom), and 5G: The need for wireless communication that can provide a higher data rate with an operating frequency and bandwidth much higher and wider, respectively, than what it used to be.
当我们在5G移动网络上发送或接收信息的信号（其预期的工作频率都比传统的移动系统高得多，我们不可避免地会遭受大量的电磁波衰减，从而导致信号完整性问题。为了使电磁波在通信系统中具有有限量的功率传播更长的距离，必须部署高增益天线，该天线形成远场辐射模式，例如非常清晰的铅笔状光束。这使我们能够达到更长的距离，以传递不间断的信息。
大型菜天线使我们能够在很长的距离内进行交流。图像在公共领域，通过Wikimedia Commons。
孔天线（例如盘子和喇叭天线）将为这些目的提供很高的增益。高增益天线的非常锋利的远场辐射图具有非常狭窄的角度扫描范围，电磁波的可见区域受到限制。为了增强覆盖通信的区域，可以通过用阳性机械旋转天线来扩展其扫描能力。但是，孔径天线需要大量的空间来安装，并且可能不适合用于消费电子产品 - 您不想在手机中添加大型菜式天线！
A单极天线阵列显示梁扫描功能。
简而言之，天线阵列是通过特定空间和相构型连接的一堆天线。阵列可以克服上述障碍物，并且可以根据天线元件类型进行保形和微型化，从而形成阵列和材料特性。
如果微型化是设计因素，那么选择适当的天线元件很重要。设计规范可以决定要部署哪种类型的天线元件。
使用阵列因子的好处
尽管天线阵列的体积小于光圈型天线的体积，但与单个天线研究相比，其模拟计算成本仍然很高。如果不在整个结构上运行完整的3D模型模拟并过多地牺牲分析的准确性，则天线阵列的远场辐射模式仍然可以从单个天线元件的辐射图案中估算来通过乘以阵列因子来估算。
3D模型中的均匀阵列因子表达被定义为
其中NX，NY和NZ是沿着的数组元素的数量X- ，，，y-， 和z- 轴分别。根据模拟中使用的波长，dx，dy和dz术语是阵列元素之间的距离。术语alphax，alphay和alphaz是弧度的相位进程。
在上面的数组因子表达式中，输入功率未归一化。如果天线阵列对馈电网络分布的单个输入功率激发，则需要相应地缩放。
使用ComsolMultiphysics®软件的优点之一是您可以键入任何类型的方程式以进行后处理表达式。当表达复杂时，可以使用仿真应用或模型方法。
一个用户界面天线阵列模拟应用具有8×8虚拟阵列，电场分布和3D远场辐射模式视图。
通过将阵列因子方程乘以天线远场增益变量Emw.gaindbefar，您可以计算天线阵列的远场增益。
RF模块中的数组因子功能
即使是使用方法功能的简单代码，键入方程式或编程的长度表达可能是快速研究的障碍。幸运的是，RF模块是Comsol多物理的附加组件，它提供了阵列因子后处理功能。在具有远场域/计算物理特征的单个天线模拟之后，在3D统一阵列因子函数下可访问定义>功能从绘图表达式的后处理上下文菜单中
AF3（NX，NY，NZ，DX，DY，DZ，Alphax，Alphay，Alphaz）
输入参数的定义与上述统一数组方程中的定义相同，下表解释了对结果图的影响。
| 影响 | 输入参数 |
|---|---|
| 数组元素数量 | 天线增益 |
| 数组元素之间的距离 | 天线增益；旁路级 |
| 相进展 | 主叶转向方向 |
输入参数对辐射模式的影响。
对具有主梁的虚拟8×8天线阵列的评估z- 轴表示为
emw.gaindbefar + 20*log10（emw.af3（8，8，1，0.48，0.48，0，0，0，0，0，0，0）） + 10*log10（1/64）
它是在DB量表中计算的，并且阵列因子和单个天线增益之间的乘法是通过表达式中的求和来完成的。
| 输入参数 | 描述 | 价值 | 单元 |
|---|---|---|---|
nx |
沿X-轴 | 8.00 | 无量纲 |
纽约 |
沿y-轴 | 8.00 | 无量纲 |
新西兰 |
沿z-轴 | 1.00 | 无量纲 |
DZ |
数组元素沿距离的距离X-轴 | 0.48 | 波长 |
dy |
数组元素沿距离的距离y-轴 | 0.48 | 波长 |
DZ |
数组元素沿距离的距离z-轴 | 0 | 波长 |
alphax |
沿X-轴 | 0 | 弧度 |
Alphay |
沿y-轴 | 0 | 弧度 |
alphaz |
沿z-轴 | 0 | 弧度 |
阵列因子因子输入参数沿着主梁的虚拟8×8阵列天线z-轴。
上面的表达是在天线阵列被带有单个输入电源的均匀分布网络馈送的假设下进行的。有必要将其扩展为10*log10（1/元素总数）。
当使用非零相进程值时，主梁的方向（最大辐射）可以指向理想的方向。阵列元素之间的距离为0.48波长。当距离在0.45和0.5波长之间时，预计将其旁路水平约为-12至-15 dB。
以下方程有助于定义相位进程值是从主要轴的角度的函数，因此您可以轻松地指出扫描方向。
在哪里k是波数，d是天线元件之间的距离，theta是距轴的角度。
以最大方向在60度的最大方向生成梁X- 轴，alphax（在数组因子函数中）设置为
-2*pi*0.48*cos（pi/3）
这微带贴片天线教程在应用程序库中显示了如何使用阵列因子进化单个天线辐射图。
以下极地图比较了三种辐射模式：
- 单个微带贴片天线的增益
- 均匀阵列因子的模式设置为主叶方向60度。X- 轴和30度z-轴
- 8×8微带贴片天线阵列的合成增益
单个斑块天线增益，8×8均匀阵列因子和8×8微带贴片天线阵列增益以DB尺度绘制。
虚拟8×8微带贴片天线阵列的远场增益模式。图的最小范围可能会改变主梁图案的视觉清晰度。
后处理天线阵列模拟的美丽
COMSOL多物理学中的各种后处理选项使您能够有效地研究天线原型。使用完整的谐波动态数据扩展对于动画设置中的动画序列类型是一种非常有用的方法，可以检查光束转向可行性而无需在每个角度扫描点运行模拟。
l
动画设置窗口。动态数据扩展用于扫描内部相变。
对于时间谐波，频域模拟，可以以任意角度（相）评估因变量的解。完整的谐波动态数据扩展扩展在产生动画时将内部定义的“ root.phase”变量从0更改为2 pi。
以下表达式生成8×8微带贴片天线阵列的动画，从z- 轴向积极X- 轴通过负X-轴。
emw.gaindbefar + 20*log10（emw.af3（8，8，1，0.48，0.48，0.48，0，-2*pi*0.48*cos（phase + pi/2），0，0，0）） + 10*log10*log10（1/64）
8×8微带贴片天线阵列的远场增益模式。主梁沿着轴移动。
扫描轨迹不必遵循线或矩形网格。周围旋转的主梁图案z- 可以使用下一个表达式产生12×12微带贴片天线阵列的轴：
emw.gaindbefar + 20*log10（emw.af3（12、12、1、0.48、0.48、0.48、0，-2*pi*0.48*cos（pi/2 -pi/8*cos（stape）），-2**pi*0.48*cos（pi/2-pi/8*sin（阶段），0）） + 10*log10（1/144）
12×12微带贴片天线阵列的远场增益模式。主梁沿着圆形轨道移动。
主梁是从轴上倾斜的pi/8 radian，并围绕动画的轴旋转。
总结说
大型天线阵列系统的3D全波仿真是内存密集的，增加了计算时间和成本。通过使用所讨论的渐近方法，通过将具有均匀阵列因子的单个天线元件的远场后处理变量乘以，您可以快速估计天线阵列的辐射模式分析。但是，此方法并未解决数组元素之间的字段耦合。因此，它仅适用于快速原型可行性研究。可能需要对整个阵列结构进行全波分析，以便精确检查增益和侧球水平。
其他资源
查看这些教程模型，通过模拟研究天线阵列：
评论（2）
罗伯特·马尔金（Robert Malkin）
2019年4月4日将来会有类似的声音吗？
疯狂的鲱鱼詹森
2019年4月30日嗨，罗伯特，这是我们第一次收到此请求。您能告诉我声学中的应用程序是什么？我认为您很可能可以使用现有工具和一些用户定义的表达式设置类似的东西。