Этот пример показывает, как сформировать антенную решетку с пользовательской диаграммой направленности антенн и затем анализировать шаблон ответа массива. Такой шаблон может быть или от измерения или от симуляции.
В зависимости от приложения практические поэтапные антенные решетки иногда используют специально разработанные элементы антенны, диаграмма направленности которых не может быть представлена уравнением закрытой формы. Кроме того, даже когда шаблон элемента хорошо понят, как имеет место с дипольной антенной, взаимная связь среди элементов может значительно изменить шаблон отдельного элемента, когда элемент помещается в массив. Это делает шаблон закрытой формы менее точным. Таким образом, для высококачественного анализа шаблона, часто нужно использовать пользовательскую диаграмму направленности, полученную из измерений или симуляций.
Часто используемый двухполупериодный инструмент моделирования для симуляции диаграмм направленности антенн является HFSS™. В этом инструменте моделируются отдельные элементы, как будто они были частью бесконечного массива. Моделируемая диаграмма направленности представлена как матрица M-3, первый столбец которой представляет угол
, второй столбец которого представляет угол
, и чей третий столбец представляет диаграмму направленности в дБ. Систему координат, или более конкретно, определение и используемый в HFSS показывают в рисунке 1a. В этом соглашении это принято, что основной луч антенны указывает на зенит, т.е. ось z. Значение - между 0 и 360 градусами, и значение - между 0 и 180 градусами. Обратите внимание на то, что эта система координат не является тем же самым как
системой координат, используемой в Phased Array System Toolbox™. Смотрите Сферические координаты.
Рисунок 1: соглашение Сферической системы координат: a) как используется в HFSS, b) как используется в Phased Array System Toolbox™.
Однако нет никакого стандартного соглашения для системы координат, используемой, чтобы описать диаграмму направленности, таким образом, результат одного пакета программ моделирования не может непосредственно использоваться в другом пакете программного обеспечения. Например, в Phased Array System Toolbox, диаграмма направленности выражается с помощью азимута (азимут) и повышение (el) углы, как изображено в рисунке 1b. Что еще более важно, это принято, что основной луч антенны указывает на 0 азимутов степеней и 0 повышений степеней, т.е. ось X. Значение азимута между-180 и 180 градусами, и значение el между-90 и 90 градусами.
Таким образом использовать пользовательский шаблон выразило в - соглашение, мы должны найти способ преобразовать такой шаблон в соглашение азимута-el. Вот один возможный подход:
Задайте азимут и углы повышения, где диаграмма направленности должна быть оценена.
Преобразуйте угловые пары азимута-el в их соответствие - пары.
Интерполируйте исходную диаграмму направленности в них заданных - пары.
Например, шаблон антенны кардиоидной формы моделируется согласно - соглашение и сохранен в файле .csv. Этот шаблон должен быть преобразован в соглашение азимута-el, прежде чем шаблон сможет быть помещен в массив.
[pattern_phitheta,phi,theta] = helperPatternImport; [pattern_azel,az,el] = phitheta2azelpat(pattern_phitheta,phi,theta);
Преобразованный шаблон может теперь использоваться, чтобы сформировать пользовательский элемент антенны. Примите, что эта антенна действует между 1 и 1,25 ГГц.
freqVector = [1 1.25].*1e9; % Frequency range for element pattern antenna = phased.CustomAntennaElement('FrequencyVector',freqVector,... 'AzimuthAngles',az,... 'ElevationAngles',el,... 'MagnitudePattern',pattern_azel,... 'PhasePattern',zeros(size(pattern_azel)));
Чтобы проверить, что шаблон был правильно преобразован, постройте ответ пользовательского элемента антенны. Заметьте, что основной луч указывает на 0 азимутов степеней и 0 повышений степеней.
fmax = freqVector(end); pattern(antenna,fmax,'Type','powerdb'); view(-150,20)
Рассмотрите антенную решетку с 100 элементами, элементы которой находятся на 10x10 прямоугольная сетка, как показано в рисунке 2. Чтобы гарантировать, что нет никакого скрипучего лепестка, интервал элемента выбран, чтобы быть половиной длины волны на самой высокой рабочей частоте. Примите, что скорость света 3e8 м/с. Прямоугольный массив может быть сформирован с помощью следующих команд.
Рисунок 2: 10x10 URA.
c = 3e8; lambda = c/fmax; array = phased.URA('Element',antenna,'Size',10,'ElementSpacing',lambda/2)
array =
phased.URA with properties:
Element: [1x1 phased.CustomAntennaElement]
Size: [10 10]
ElementSpacing: [0.1200 0.1200]
Lattice: 'Rectangular'
ArrayNormal: 'x'
Taper: 1
Общая диаграмма направленности получившейся антенной решетки построена ниже на u-v пробеле. Это - комбинация и шаблона отдельного элемента и фактора массивов.
pattern(array,fmax,'PropagationSpeed',c,'Type','powerdb',... 'CoordinateSystem','UV');
Можно также легко исследовать u сокращение шаблона как показано ниже.
pattern(array,fmax,-1:0.01:1,0,'PropagationSpeed',c,... 'CoordinateSystem','UV','Type','powerdb'); axis([-1 1 -50 0]);
Преимущество поэтапных массивов, по сравнению с одним элементом антенны, состоит в том, что основной луч может электронно управляться к данному направлению. Это выполняется путем корректировки весов, присвоенных каждому элементу, также называемому держащимся вектором. Каждый вес является комплексным числом, значение которого управляет характеристиками бокового лепестка массива и чья фаза регулирует луч.
Следующий пример иллюстрирует идею регулирования фазы. Пример сканирует основной луч массива от-30 азимутов степеней до 30 азимутов степеней с углом повышения, зафиксированным в 0 градусах во время сканирования.
helperPatternScan(array)
clear helperPatternScan
Когда радар развертывается в поле, диаграмма направленности изменяется окружающей средой. Например, отражения от земли могут осуществить или ослабить сигнал, прибывающий в цель через прямой путь. Кроме того, преломление от ионосферы может также ввести другой путь от верхней части. Получившийся шаблон в направлении повышения является часто вполне сложным, и радарный инженер часто должен делать грубую оценку вертикального покрытия во время этапа разработки системы. Следующий раздел показывает, как оценить радар вертикальная схема, несколько раз также называемая графиком Блэйка, если вышеупомянутый массив развертывается на высоте 20 метров и покрывает область значений свободного пространства 100 км.
% Derive elevation pattern el_ang = -90:90; arrayresp = phased.ArrayResponse('SensorArray',array,... 'PropagationSpeed',c); el_pat = abs(arrayresp(fmax,el_ang)); % elevation pattern % Radar vertical diagram freespace_rng = 100; % in km ant_height = 20; % in m radarvcd(fmax,freespace_rng,ant_height,... 'HeightUnit','m','RangeUnit','km',... 'AntennaPattern',el_pat/max(el_pat),'PatternAngles',el_ang.');
Получившаяся схема содержит кривую на пробеле, вдоль которого уровень сигнала возврата является константой. Это ясно показывает, что основной луч сильно изменяется отражением. Например, в области значений 100 км, возврат из цели под углом повышения 1 степени намного меньше по сравнению с целью в той же области значений, но под соседним углом повышения. Кривая также показывает, что для определенных углов, цель может быть обнаружена в до 200 км. Дело обстоит так, когда отраженный сигнал и прямой сигнал пути находятся в фазе, таким образом приводящей к расширенному возврату.
Этот пример показывает, как создать и анализировать антенную решетку с помощью пользовательского шаблона антенны. Шаблон может быть сгенерирован с помощью двухполупериодного программного обеспечения симуляции моделирования с - соглашение. Шаблон может затем быть преобразован в соглашение азимута-el. Полученный массив используется, чтобы сгенерировать вертикальную схему покрытия и также сканируется от-30 градусов до 30 градусов в области направления азимута, чтобы проиллюстрировать руководящую концепцию фазы.