困惑：阵列增益是怎么回事？

cer

一般情况下：2个单元的阵列增益有3dB，
4个单元的阵列增益有6dB，
* v7 p; N) u" d# X% [- S* S# I8个单元的阵列增益是9dB……
5 d, w" Q  j+ ]+ ?0 y  _
只要单元数加倍，阵列增益就增加3dB。有些文献中甚至给出了公式。
但感觉不完全是这样子的，比如2个单元间距0.4波长，阵列增益根本达不到3dB，这又是怎么回事？

funeng3688

楼主的这个问题涉及到无源增益的本质，不容易回答。抽空我画几个示意图会更好解释。
1 M/ I9 F: B( V历史上提高天线增益的几种办法：
4 w; L! O/ h: S/ j! J最早是采用抛物面天线，抛物面其实就是一口大锅（俺们贵州山区的那口锅直径500米），而馈源在抛物面的焦点上。增益与这口锅的投影面积成正比，所以叫做口径增益。口径增益这个词非常贴切！
后来，用多单元也能提高增益，大部分情况下，增益与单元数量呈正比。但正如楼主所言，如果单元间距很小，则增益会减少。极端地，如果两个单元重叠（假设理论能做到），根据严格的阵因子公式，可计算出此阵列增益会从3dB变为0dB。

funeng3688

0 M! F. J" M" `( c* D
再补充一点，阵列增益概念与高中所学的干涉条纹相似：
6 G; M: y' z7 k, u+ S3 {. m在干涉实验现象中，波峰与波峰的叠加，形成更高的波峰，这就是无源增益的本质：增益来源于拆东墙补西墙（按下葫芦起了瓢），来源于波谷与波谷的叠加形成更深的波谷。
; q6 s) ^: L6 |) v# n; l辐射出去的总能量是定值（能量守恒？）
那么很容易理解，如果两个干涉源互相靠得很近，干涉现象会减弱，叠加幅度就会减少，也就是增益减小；
如果两个干涉源重合，就不会有叠加现象，也就是没有阵列增益。
; n3 |5 U7 R$ Q3 o6 A2 {( j' j

hotice

这个现象确实很难理解。

funeng3688

* M9 T1 l6 X! C" I6 \3 t
一定要区分功率增益和阵列增益概念。
8 l4 B6 x) m; n5 l比如1个振子1W，2个振子就有2W，到接收机这边总增益会有6dB。
其中3dB属于功率增益——源的功率增加了3dB。
8 K& J5 S2 y+ K; _0 m- w; W0 g另外3dB就是阵列增益——也就是口径增益。
1 ~) s4 G% [, L2 u
换一种说法：
, e5 s" p; g, e6 l( n+ r比如1个振子1W，2个振子合起来的功率仍然是1W。
0 s  F; q' S6 Y$ a) C( y! w那么功率增益为0dB——因为源的总功率没变。
那么接收机这边的总增益仍然有3dB，这就是纯的阵列增益。

在摄影领域有句话：镜头口径（大光圈）是王道：镜头口径越大，拍出来的照片质量越好（暗光条件下的底噪越小，即使被摄物的光照条件一样）
道理一样的。口径越大，越适合瞬间抓拍运动照片（爆光时间越短）。

funeng3688

再讲另一个概念：天线近场区。
天线近场区究竟多大，近场区的边界在哪儿，说法太多了。
' J/ j' n( ?! B5 ?. c天线是一个开放的谐振场，所以近场区的电场和磁场都很强。
% e% K# S! Q( L4 ~我认为电磁场很强的区域就是近场区。
或者说，如果天线用于接收，那么能有效捕捉电磁波能量的区域就是近场区。
离天线相位中心超过一个波长距离的电磁波，是捕捉不到的。
根据经验，直径0.8倍波长的区域就算是近场区。
下图中的两个偶极子相距大于0.8个波长，那么近场区（大圆形区）不可能有重叠，如下图所示。

# [* K2 I# H/ X. c! }; }  X# o
- H' y& o( s4 ^. W8 x8 E4 |, D& p
  O1 U) N2 V3 d3 N8 ~那么两个天线单元接收到的电磁波能量就比一个天线单元接收到的电磁波能量多3dB，也就是说，阵列增益有3dB。

$ R" A: @2 \- U; ]3 p' e
2 o' F* W7 b. m- i1 S

funeng3688

如果两个偶极子相距小于0.8倍波长，比如，只有0.5倍波长，那么近场区（大圆形区）就会重叠，如下图所示：
1 d) O# \) M: _8 n4 ~6 ^, U- \
5 h8 ~0 c7 Z, L% A, b重叠部分的电磁波能量被两个偶极子瓜分，哈，两个偶极子都没吃饱。
意味着两个偶极子接收到的电磁波总能量，比一个偶极子接收到的电磁波总能量多，但没有达到3dB程度，这个值就是阵列增益。
* x* }6 S# u9 F5 R) |3 o; p; z2 r比如，阵列增益只有2.5dB。

& C  E* V0 l7 n! n

funeng3688

那么很容易理解：
如果两个偶极子间距为0（理论上），偶极子近场区完全重叠，那就是两个偶极子瓜分原来一个偶极子的电磁波能量。两个偶极子都只能吃半饱，哈哈哈！两个偶极子接收到的电磁波总能量，仍然等于原来一个偶极子接收到的电磁波总能量，阵列增益就是0dB。

7 j6 f* C+ @% @- Y4 R/ p. ^如果两个偶极子间距大于1个波长，则阵列增益永远等于3dB不变。
只不过间距越大，主瓣宽度越窄，副瓣数量越来越多，而且原来的左右第一副瓣会上升，升级形成3个主瓣。
# m6 i0 J* G+ F0 Z6 o
- o5 U3 K0 f. O; W" y7 j* u这个定性分析结论与阵列因子公式给出的结果很接近。


- Q/ q( ^; |& Y% @7 f7 h
3 h# C! K2 B, S; S

funeng3688

阵列增益就是口径增益。
; e, m1 t: O" K6 f天线领域也有一句名言：口径面积是王道。
; }1 O+ W/ z# q其中之一是贵州天眼，单口大锅：

( T) }; ^9 K1 z0 ~+ v
1 b, q9 }: f3 k% Z( b

funeng3688

另一个是上帝之眼，锅虽然小，但数量多啊！
0 F% `/ P$ Q4 x3 s8 c6 F1 _
4 t& M3 D( U& u0 V2 ~/ |这让我想起昆虫的复眼。
没错，复眼看世界，世界更精细。
* S9 S- f8 X6 n4 L3 v2 [$ l这是另一个话题：眼睛也是一个由无数视网膜细胞构成的巨大天线阵，每个视网膜细胞都能接收电磁波（可见光），所以也是一个小小的偶极子天线。
' T7 f2 E0 X) @. @/ `8 z* x' H7 v5 g
感兴趣的EDA365网友可以研究一下：人类眼睛的增益有多少dBi？
2 f7 D; o! D6 R4 l4 F