目录
一、基本概念 (1)
1.1方向图基本概念 (1)
1.2主瓣宽度 (2)
1.2.1主瓣宽度基本概念及特性 (4)
1.3旁瓣抑制 (4)
一、基本概念
1.1方向图基本概念
天线的辐射电磁场在固定距离上随角坐标分布的图形，称为方向图。用辐射场强表示的称为场强方向图，用功率密度表示的称之功率方向图，用相位表示的称为相位方向图。天线方向图是空间立体图形，但是通常应用的是两个互相垂直的主平面內的方向图，称为平面方向图。在线性天线中，由于地面影响较大，都采用垂直面和水平面作为主平面。在面型天线中，则采用E平面和H平面作为两个主平面。归一化方向图取最大值为一。在方向图中，包含所需最大辐射方向的辐射波瓣叫天线主波瓣，也称天线波束。主瓣之外的波瓣叫副瓣或旁瓣或边瓣，与主瓣相反方向上的旁瓣叫后瓣，见图1：全向天线水平波瓣和垂直波瓣图，其天线外形为圆柱型；图2：定向天线水平波瓣和垂直波瓣图，其天线外形为板状。
图1 全向天线波瓣示意图
图2 定向天线波瓣示意图
1.2主瓣宽度
为了方便对各种天线的方向图特性进行比较，就需要规定一些特性参数。主要包括：零功率波瓣宽度、半功率点波瓣宽度、旁瓣电平、前后比、方向系数等。
1.零功率波瓣宽度，指主瓣两侧场强值为0的两个方向之间的夹角，用2表示。许多天线方向图的主瓣是关于最大辐射方向对称的，因此，只要确定零功率主瓣宽度的一半，再取其2倍即可求得零功率主瓣宽度,即2=2。
2. 半功率点波瓣宽度，指方向图主瓣两侧两个半功率点（即场强下降到最大值下降到0.707（或分贝值从最大值下降3dB处对应的两点）之间的夹角，又称为3dB波束宽度或主瓣宽度，记为。对方向
图对称天线，半功率主瓣宽度=2。一般
情况下，天线的E面和H面方向图主瓣宽度不同，分别记为、。如不特殊说明，通常主瓣宽度是指半功率主瓣。
3. 副瓣电平，天线往往不止一个副瓣，而是有若干个。仅靠主瓣的副瓣叫第一副瓣，依次为第二，第三、……副瓣，这些副瓣的峰值可能是不同的。为估计副瓣的强弱，通常用副电平表示，其定义是任一副瓣的最大值与主瓣的最大值之比称为该副瓣的副瓣电平，其中最大值称为天线的最大副瓣电平0。通常，第一副瓣电平即为最大副瓣电平。副瓣电平通常用分贝表示，如第i个副瓣电平可表示为
SL=20lg dB
式中为第i个副瓣的场强最大值，为主瓣的最大值。这样，对于各个副瓣均可求得其副瓣电平值。在工程中，通常第一副瓣电平最大，记为SLL。
4.前后比后半最大模值与主瓣最大模值之比称为前后比，即
=20lg dB。
5.方向系数在离天线某一距离处，天线在最大辐射方向上的辐射功率流密度与相同辐射功率的理想无方向性天线在同一距离处的辐射功率流密度之比。
1.2.1主瓣宽度基本概念及特性
主瓣宽度即半功率点波瓣宽度。天线功率辐射击是否集中，可以用主瓣宽度这一参量来表示。
主瓣宽度越小，方向图越尖锐，表示天线辐射越集中。参见图3 a , 在主瓣最大辐射方向两侧，辐射强度降低3 dB（功率密度降低一半）的两点间的夹角定义为波瓣宽度（又称波束宽度或主瓣宽度或半功率角）。波瓣宽度越窄，方向性越好，作用距离越远，抗干扰能力越强。
如果反天线在各方向辐射击的强度用从原点出发的矢量长短来表示，则连接全部矢量端点所形成的包络就是天线的方向图。它显示出天线的在不同方向辐射的相对大小，这种方向图称为立体方向图。矢径的方向代表辐射的方向，矢径的长短代表辐射击的强度。
a 图3 b
还有一种波瓣宽度，即10dB 波瓣宽度，顾名思义它是方向图中辐射强度降低10dB （功率密度降至十分之一）的两个点间的夹角，见图3 b。
一般用分贝来表示：101g副瓣最大值功率/主瓣最大值功率。1.3旁瓣抑制
在天线系统中, 降低旁瓣电平具有实际意义, 然而天线阵的主瓣宽度和旁瓣电平是既相互依赖又相互对立的一对矛盾。天线阵方向图的主瓣宽度小, 则旁瓣电平就高；反之, 主瓣宽度大, 则旁瓣电平就低。均匀直线阵的主瓣很窄, 但旁瓣数目多、电平高; 二项式直线阵的主瓣很宽, 旁瓣就消失了。对发射天线来说, 天线方向图的旁瓣是朝不希望的区域发射, 从而分散了天线的辐射能量; 而对接收天线来说，从不希望的区域接收, 就要降低接收信噪比, 因此它是有害的。但旁瓣又起到了压缩主瓣宽度的作用, 从这点来说, 旁瓣似乎又是有益的。实际上, 只要旁瓣电平低于给定的电平, 旁瓣是允许存在的。能在主瓣宽度和旁瓣电平间进行最优折中的是道尔夫切比雪夫分布阵。这种天线阵在满足给定旁瓣电平的条件下, 主瓣宽度最窄。道尔夫切比雪夫分布阵具有等旁瓣的特点, 其数学表达式是切比雪夫多项式。道尔夫切比雪夫分布边射阵是最优边射阵, 它所产生的方向图是最优方向图。
信号的覆盖主要靠天线的主瓣和主瓣下面的旁瓣来保证，而主瓣上面的旁瓣不仅浪费了天线辐射的能量，分散了功率，而且对接收天线来说还引入了噪声，并且会对相邻小区特别是相邻小区的高层建筑形成干扰，所以天线上面的旁瓣应该尽量抑制，尤其是较大的第一副瓣，同时应加强对主瓣下面零点的填充。天线零点填充值的计算公式如下：
天线零点填充值 = 垂直第一下零点幅值/最大辐射方向幅值）% = 20log垂直第一下零点幅值/最大辐射方向幅值）dB
主瓣上面的第一旁瓣电平应小于-18dB；主瓣下面的第一零点电平应大于-20dB，如果能达到-12dB是非常好的选择。
近几年提出的旁瓣抑制方法主要有两类: 一类是基于凸优化理论, 如二阶锥规划、半定规划等。由于凸优化问题可以利用内点法快
速求得全局最优解, 因此这类算法有收敛速度快,效率高等优点。但传统算法在凸优化问题建模过程中引入了近似, 影响了波束形成器的最优性,且不能对主瓣宽度、信噪比增益等进行灵活控制;另一类旁瓣抑制方法是基于人工智能算法, 如遗传算法等。这类算法建模过程简单, 但是有容易陷入局部最优解, 收敛速度慢等缺点。旁瓣抑制往往是以损失信噪比增益和展宽主瓣宽度为代价的。因此在抑制旁瓣的同时必须保证信噪比增益下降程度和主瓣展宽程度都在用户要求的范围内。
