Документация

Смоделируйте массив диполей Используя изолированный шаблон элемента

Во-первых, мы разрабатываем массив с изолированным элементом. Для этого примера мы выбираем центр X-полосы как наша частота проекта.

freq = 10e9;
vp = physconst('lightspeed');
lambda = vp/freq;

В [4], это было обсуждено, что центральный элемент массива 5 X 5 массивов, где длина волны, начинает вести себя как он, находится в бесконечном массиве. Такая апертура соответствовала бы 10 X, 10 массивов полудлины волны расположили теплоотводы с интервалами. Мы принимаем решение немного превысить этот предел и рассмотреть 11 X 11 массивов диполей.

Nrow = 11;
Ncol = 11;
drow = 0.5*lambda;
dcol = 0.5*lambda;

Предпочтительный диполь имеет длину немного ниже, чем и радиус приблизительно.

mydipole = dipole;
mydipole.Length = 0.47*lambda;
mydipole.Width = cylinder2strip(0.191e-3);
figure('Color','w');
show(mydipole);

Теперь создает 11 X 11 URA, и присвойте изолированный диполь как его элемент. Настройте интервал элемента, чтобы быть полудлиной волны на уровне 10 ГГц. Дипольный наклон обнуляется так, его ориентация совпадает с геометрией массивов в плоскости Y-Z.

isolatedURA = phased.URA;
isolatedURA.Element = mydipole;
isolatedURA.Size = [Nrow Ncol];
isolatedURA.ElementSpacing = [drow dcol];
viewArray(isolatedURA);
myFigure = gcf;
myFigure.Color = 'w';

Образцовый массив диполей Используя встроенный шаблон элемента

Чтобы вычислить встроенный шаблон центрального дипольного элемента, мы сначала создаем двухполупериодную модель предыдущего массива. Поскольку ориентация по умолчанию дипольного элемента в библиотеке приезжает ось z, мы наклоняем его так, чтобы массив был сформирован в плоскости X-Y.

fullWaveArray = rectangularArray(...
    'Size',[Nrow Ncol],...
    'RowSpacing',drow,...
    'ColumnSpacing',dcol);
fullWaveArray.Element = mydipole;
fullWaveArray.Element.Tilt = 90;
fullWaveArray.Element.TiltAxis = [0 1 0];
show(fullWaveArray)
title('Rectangular 11 X 11 Array of Dipole Antennas')

Чтобы вычислить встроенный шаблон элемента, используйте функцию pattern и передайте в дополнительных входных параметрах номера элемента (индекс центрального элемента) и сопротивление завершения. Сопротивление сканирования и реактивное сопротивление сканирования для бесконечного массива резонирующих диполей, расположенных с интервалами независимо, обеспечиваются в [3], и мы выбираем сопротивление в развороте как завершение для всех элементов.

Zinf = 76 + 1i*31;
ElemCenter = (prod(fullWaveArray.Size)-1)/2 + 1;
az = -180:2:180;
el = -90:2:90;
EmbElFieldPatCenter = pattern(fullWaveArray,freq,az,el,...
    'ElementNumber',ElemCenter,'Termination',real(Zinf),'Type','efield');

Импортируйте этот встроенный шаблон элемента в пользовательский элемент антенны и создайте тот же прямоугольный массив с помощью того элемента. Поскольку массив будет в плоскости Y-Z, вращать шаблон, чтобы совпадать с плоскостями сканирования.

embpattern = helperRotatePattern(az,el,EmbElFieldPatCenter,[0 1 0],90);
embpattern = mag2db(embpattern);
fmin = freq - 0.1*freq;
fmax = freq + 0.1*freq;
freqVector = [fmin fmax];
embantenna = phased.CustomAntennaElement('FrequencyVector',freqVector,...
    'AzimuthAngles',az,'ElevationAngles',el,...
    'MagnitudePattern',embpattern,'PhasePattern',zeros(size(embpattern)));

embeddedURA = phased.URA;
embeddedURA.Element = embantenna;
embeddedURA.Size = [Nrow Ncol];
embeddedURA.ElementSpacing = [drow dcol];

Сравните шаблон массивов в плоскости повышения и азимута

Затем, вычислите и сравните шаблоны в различных плоскостях для этих трех массивов: тот с помощью изолированного шаблона элемента, тот с помощью встроенного шаблона элемента и двухполупериодной модели (используемый в качестве наземной истины).

Во-первых, шаблон в плоскости повышения (заданный азимутом = 0 градусов и также названный электронной плоскостью)

Eplane_embedded = pattern(embeddedURA,freq,0,el);
Eplane_isolated = pattern(isolatedURA,freq,0,el);
[Eplane_fullwave,~,el3e] = pattern(fullWaveArray,freq,0,0:1:180);
el3e = el3e'-90;

helperATXPatternCompare([el(:) el(:) el3e(1:2:end)],...
    [Eplane_isolated Eplane_embedded Eplane_fullwave(1:2:end)],...
    'Elevation Angle (deg.)','Directivity (dBi)',...
    'E-plane Array Directivity Comparison',...
    {'With Isolated Pattern','With Embedded Pattern',...
    'Full Wave Solution'},[-60 30]);

Теперь, шаблон в плоскости азимута (заданный повышением = 0 градусов и названный H-плоскостью).

Hplane_embedded = pattern(embeddedURA,freq,az/2,0);
Hplane_isolated = pattern(isolatedURA,freq,az/2,0);
Hplane_fullwave = pattern(fullWaveArray,freq,90,0:1:180);

helperATXPatternCompare([az(:)/2 az(:)/2 el3e],...
    [Hplane_isolated Hplane_embedded Hplane_fullwave],...
    'Azimuth Angle (deg.)','Directivity (dBi)',...
    'H-plane Array Directivity Comparison',...
    {'With Isolated Pattern','With Embedded Pattern',...
    'Full Wave Solution'},[-60 30]);

Направленность массивов является приблизительно 23 dBi. Этот результат близко к теоретическому вычислению для пиковой направленности [5] после принятия во внимание отсутствия отражателя, D = 4/.

Сравнение шаблона предполагает, что основной луч и первые боковые лепестки выравниваются для всех трех случаев. Отодвигание от основного луча показывает увеличивающийся эффект связи на уровне бокового лепестка. Как ожидалось встроенный подход шаблона элемента предлагает связывающийся уровень, промежуточный двухполупериодная имитационная модель и изолированный подход шаблона элемента.

Увеличьте размер массивов

Поведение шаблона массивов глубоко соединяется со встроенным шаблоном элемента. Понять, как наш выбор 11 X 11 влияния массивов центральное поведение элемента, мы увеличиваем размер массивов до 25 X 25 массивов (12.5 X 12,5 апертурных размеров). Обратите внимание на то, что треугольный размер mesh для полного анализа Метода моментов (MoM) волны с 625 элементами увеличивается до 25 000 треугольников (40 треугольников на диполь), и вычисление для встроенного шаблона элемента занимает приблизительно 12 минут на машине на 2,4 ГГц с памятью на 32 Гбайт. Это время может уменьшаться путем понижения размера mesh на элемент, поймав в сети вручную использование максимальной длины ребра.

Ниже график шаблона для электронной плоскости,

load atexdipolearray
embpattern = helperRotatePattern(...
    DipoleArrayPatData.AzAngles,DipoleArrayPatData.ElAngles,...
    DipoleArrayPatData.ElemPat(:,:,3),[0 1 0],90);
embpattern = mag2db(embpattern);

embantenna2 = clone(embantenna);
embantenna2.AzimuthAngles = DipoleArrayPatData.AzAngles;
embantenna2.ElevationAngles = DipoleArrayPatData.ElAngles;
embantenna2.MagnitudePattern = embpattern;
embantenna2.PhasePattern = zeros(size(embpattern));

Eplane_embedded = pattern(embantenna2,freq,0,el);
Eplane_embedded = Eplane_embedded - max(Eplane_embedded); % normalize
Eplane_isolated = pattern(mydipole,freq,0,el);
Eplane_isolated = Eplane_isolated - max(Eplane_isolated); % normalize
embpatE = pattern(embantenna,freq,0,el);
embpatE = embpatE-max(embpatE);                           % normalize

helperATXPatternCompare([el(:) el(:) el(:)],...
    [Eplane_isolated embpatE Eplane_embedded],...
    'Elevation Angle (deg.)','Directivity (dBi)',...
    'Normalized E-plane Element Directivity Comparison',...
    {'Isolated Pattern','Embedded Pattern - 11 X 11',...
    'Embedded Pattern - 25 X 25'},[-50 5]);

и H-плоскость.

Hplane_embedded = pattern(embantenna2,freq,0,az/2);
Hplane_embedded = Hplane_embedded - max(Hplane_embedded);  % normalize
Hplane_isolated = pattern(mydipole,freq,0,az/2);
Hplane_isolated = Hplane_isolated - max(Hplane_isolated);  % normalize
embpatH = pattern(embantenna,freq,az/2,0);
embpatH = embpatH-max(embpatH);                            % normalize

helperATXPatternCompare([az(:)/2 az(:)/2 az(:)/2],...
    [Hplane_isolated embpatH Hplane_embedded],...
    'Azimuth Angle (deg.)','Directivity (dBi)',...
    'Normalized H-plane Element Directivity Comparison',...
    {'Isolated Pattern','Embedded Pattern - 11 X 11',...
    'Embedded Pattern - 25 X 25'},[-50 5]);

График выше показывает, что различие между встроенными шаблонами элемента 11 X 11 и 25 X 25 массивов, соответственно, составляет меньше чем 0,5 дБ в электронной плоскости. Однако H-плоскость показывает больше изменения для 11 X 11 массивов по сравнению с 25 X 25 массивов.

Отсканируйте поведение и встроенный шаблон элемента

Этот раздел сканирует массив на основе встроенного шаблона элемента в плоскости повышения, заданной азимутом = 0 градусов, и постройте нормированную направленность. Кроме того, нормированный встроенный шаблон элемента также построен. Обратите внимание, что полная форма нормированного шаблона массивов приблизительно следует за нормированным встроенным шаблоном элемента, столь же предсказанным принципом умножения шаблона.

eplane_indx = find(az==0);
scan_el1 = -30:10:30;
scan_az1 = zeros(1,numel(scan_el1));
scanEplane = [scan_az1;scan_el1];

% compute array scanning weights
steeringvec = phased.SteeringVector('SensorArray',embeddedURA,...
    'IncludeElementResponse',true);
weights = steeringvec(freq,scanEplane);

% array scanning
legend_string1 = cell(1,numel(scan_el1));
scanEPat = nan(numel(el),numel(scan_el1));
for i = 1:numel(scan_el1)
    scanEPat(:,i) = pattern(embeddedURA,freq,scan_az1(i),el,...
        'Weights',weights(:,i));
    legend_string1{i} = strcat('scan = ',num2str(scan_el1(i)));
end
scanEPat = scanEPat - max(max(scanEPat));                  % normalize

helperATXPatternCompare(el(:),scanEPat,...
    'Elevation Angle (deg.)','Directivity (dBi)',...
    'E-plane Scan Comparison',legend_string1(1:end-1),[-50 5]);
hold on;
plot(el(:),embpatE,'-.','LineWidth',1.5);
legend([legend_string1,{'Embedded element'}],'location','best')
hold off;

Отсканируйте слепоту

В больших массивах направленность массивов может уменьшать решительно в определенных углах сканирования под определенными ситуациями. В этих углах сканирования, называемых мертвыми углами, массив не излучает питание, подавшее на ее входных терминалах [3]. Два общих механизма, под которыми происходят условия слепоты,

Возможно обнаружить слепоту сканирования в больших конечных массивах путем изучения встроенного шаблона элемента (также известный как шаблон элемента массива в бесконечном анализе массивов). Массив, исследуемый в этом примере, не имеет диэлектрической плоскости подложки/земли, и поэтому поверхностные волны устраняются. Однако мы можем исследовать второй механизм, т.е. скрипучее возбуждение лепестка. Для этого давайте увеличим интервал через строки и столбцы массива, чтобы быть 0.7. Поскольку этот интервал больше, чем предел полудлины волны, мы должны ожидать скрипучие лепестки на видимом пробеле вне определенного угла сканирования. Как указано в [3], чтобы точно предсказать глубину скрипучих мертвых углов лепестка в конечном массиве диполей, у нас должен быть массив размера 41 X 41 или выше. Мы будем сравнивать 3 случая, а именно, 11 X 11, 25 X 25 и 41 X 41 массив размера и проверять, может ли существование мертвых углов, по крайней мере, наблюдаться в 11 X 11 массивов. Как отмечалось ранее, результаты были предварительно вычислены в Antenna Toolbox™ и сохраненные в файле MAT. Чтобы уменьшать вычислительное время, элементы были пойманы в сети с максимальной длиной ребра.

load atexdipolearrayblindness.mat

Нормированная электронная плоскость встроила шаблон элемента для массивов трех размеров

Нормированная H-плоскость встроила шаблон элемента для массивов трех размеров. Заметьте мертвый угол приблизительно-62 и-64 градуса.

Заключение

Встроенный подход шаблона элемента является одним возможным способом выполнить анализ больших конечных массивов. Они должны быть достаточно большими так, чтобы краевые эффекты могли быть проигнорированы. Подход заменяет изолированный шаблон элемента на встроенный шаблон элемента, поскольку последний включает эффект взаимной связи.

Ссылка

[1] Р. Дж. Мэйллукс, 'Поэтапное Руководство Антенны Массивов', Дом Artech, 2-й выпуск, 2005

[2] В. Стуцмен, Г. Тиле, 'Теория антенны и проект', John Wiley & Sons Inc., 3-й выпуск, 2013.

[3] Р. К. Хансен, поэтапные антенны массивов, глава 7 и 8, John Wiley & Sons Inc., 2-й выпуск, 1998.

[4] Х. Холтер, Х. Стеискэл, "На требовании размера для конечных поэтапных моделей массивов", Транзакции IEEE на Антеннах и Распространении, vol.50, № 6, pp.836-840, июнь 2002.

[5] П. В. Ханан, "Усиление Элемента Paradox для Антенны Поэтапного Массива", Транзакции IEEE на Распространении Антенн, издании 12, № 4, июль 1964, стр 423-433.