相控陣天線采用電子掃描的方法實現(xiàn)雷達波束的無慣性掃描，因此相控陣也叫電子掃描陣列(ESA)。對于相控陣天線輻射的電磁場及其能量分布通常用歸一化的天線方向圖來描述，它反映波束形狀、天線增益、副瓣等特性。

波束的指向始終與等相位面垂直，而等相位面由陣元間的饋相關(guān)系確定，因此在各個陣元都是等幅饋電情況下，線性陣的波束方向圖函數(shù)為sinc函數(shù)。

先仿真一個極坐標(biāo)下線陣的波束掃描動圖，其中外圈標(biāo)注的是度數(shù)0~360°，0°表示垂直于線陣的方向。其中，一圈一圈的環(huán)代表的是幅度，這里進行了歸一化，指向0°時是0dB。仿真時設(shè)置：N=32，d=λ/2，波束指向從0~60°，再從60~0°，得到下面的動圖：

從該動圖可以看出：1. 隨著波束指向角度的增大，波束寬度變胖，當(dāng)達到60°時，變胖了一倍。2. 隨著波束指向的增大，增益降低。3. 沒有進行降低旁瓣的加權(quán)，旁瓣較高。

上面是通過仿真的動圖看到了波束掃描時波束變化的大致情況，下面通過公式詳細分析影響相控陣?yán)走_波束寬度的因素，這里直接給出一維均勻線陣波束寬度的計算公式：

通常，均勻口徑照射情況下3dB波束寬度的k=0.886，若是4dB波束寬度的k=1；其他也可以定義10dB波束寬度等。

天線口徑越大，波束越窄

從上面的公式可以看出當(dāng)天線口徑(N*d)越大，也就是陣元數(shù)越多，陣元間距越大，波束越窄；直觀的理解就是線陣越長，波束寬度就越窄！

掃描角增大，波束變寬

隨著掃描角度的增大，波束寬度會變寬，掃描角正負60度時，其余弦值為1/2，相比于0度時增大了一倍；隨著掃描角度的繼續(xù)增加，不僅僅是波束寬度會惡化，天線增益也會惡化。

因此掃描角通常一般不大于正負60度，這也是某些戰(zhàn)艦或預(yù)警機上用三四塊天線來覆蓋360度空域的原因。

波長越長，波束寬度變大

從公式還可以看出在天線口徑不變的情況下，波長越長，波束寬度越大；例如：對于機載火控雷達，可用空間就那么大，因此更適合使用波長短的更高頻段，以便獲得更窄的波束。

陣元間距過大導(dǎo)致柵瓣

陣因子是一個周期函數(shù)，如果陣元間距取值不合適，相控陣天線掃描時的輻射場會在主瓣以外形成與主波束類似的有規(guī)律的輻射波束，常被稱為柵瓣。一個好的ESA設(shè)計必須考慮柵瓣的影響，這里直接給出結(jié)果：

實際中當(dāng)然不會那么極端，相控陣的最大掃描角既不會是0度，也不會接近90度；假如線性陣的波束最大掃描角度為60度，那么陣元間距d小于0.54的波長就不會出現(xiàn)柵瓣了。所以，在可以的范圍內(nèi)適當(dāng)增大天線陣元間距以減少數(shù)量來達到相同的口徑降低成本。

還有一點需要注意的就是這里的波長要選擇工作帶寬中最短的波長來計算，這是因為間距如果保證了最短波長的情況都不出現(xiàn)柵瓣了，那它肯定也就滿足了波長更長的情況。

總結(jié)來說，“陣元間距取半波長左右”基本不會有啥問題；如果你想放寬一點，那就要結(jié)合你的最大掃描角進行權(quán)衡了；如果你想看看出現(xiàn)刪瓣的情況，動圖有(設(shè)置陣元間距d=0.7λ)。

有一點需要注意，這里仿真圖中90 ~ 270°內(nèi)出現(xiàn)波束是因為這里仿真的每個陣元都是全向天線，由于仿真時設(shè)置了掃描角從0 ~ 60°，因此柵瓣出現(xiàn)在270 ~ 330°（-90 ~ -30°）范圍內(nèi)。

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審核編輯：湯梓紅