16、波束形成天线阵列技术解析

波束形成天线阵列技术解析

1. 反射器效率与半功率波束宽度

反射器的效率因设计而异，低效率馈源的效率约为 35%，而设计较好的反射器效率可达 70%。对于主反射器上均匀孔径锥度的情况，半功率波束宽度（HPBW）（单位：度）可通过以下公式计算：
[HPBW = \frac{58.44}{\lambda/D}]
例如，对于 1.8 米的斯坦福反射器，在 1.1 GHz 时 HPBW 为 8.85°，在 1.6 GHz 时为 6.08°。若为降低天线旁瓣电平，将反射器孔径锥度设为二次型而非均匀型，会导致增益降低，波束宽度相应增加。在 1.6 GHz 频率下，若主反射器边缘照明相对于中心为 -10 dB 以降低旁瓣电平，其波束宽度可增加至 6.8°，旁瓣电平将从均匀照明时的 -17.6 dB 降至 -22.3 dB。

2. 波束转向天线阵列原理

2.1 基本功能

波束转向天线阵列可将四个或更多高增益波束转向 GNSS 卫星，仅接收感兴趣信号（SOI），同时减轻来自多径或干扰的非感兴趣信号（SNOI）。它利用信号的空间分离来区分这两种信号。数字波束形成天线阵列常用于无线通信以提高信号质量。

2.2 3 - D 天线阵列模型

考虑一个由 N 个天线元件组成的 3 - D 阵列，其几何结构如下：
- 方位角 $\varphi$ 从 X 轴逆时针测量，角度 $\theta$ 从 Z 轴测量，$\theta = 90°$ 表示地平线。
- 阵列中第 n 个天线元件的位置为 $\vec{r}_n = x_n\hat{x} + y_n\hat{y} + z_n\hat{z}$，其中 $(x_