Анализ антенной решетки с пользовательской диаграммой направленности

Открыть скрипт

В этом примере показано, как создать антенную решетку с пользовательской диаграммой направленности антенн и затем как анализировать диаграмму направленности массива. Такой шаблон может быть получен или из измерений или из симуляций.

Импортируйте диаграмму направленности

В зависимости от приложения практические поэтапные антенные решетки иногда используют специально разработанные антенные элементы, диаграмма направленности которых не может быть представлена уравнением закрытой формы. Даже когда шаблон элемента хорошо изучен, 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. Поэтому для высококачественного анализа шаблона, часто необходимо использовать пользовательскую диаграмму направленности, полученную из измерений или симуляций.

Нет никакого стандартного соглашения для системы координат, используемой, чтобы задать диаграмму направленности, таким образом, результат одного пакета программ моделирования часто не может не непосредственно использоваться в другом пакете программного обеспечения. Например, в Phased Array System Toolbox™ (PST), диаграмма направленности описывается с помощью азимута (азимут) и вертикальное изменение (el) углы, как изображено в рисунке 1. Это принято, что основной луч антенны указывает на $0^\circ$ азимут и $0^\circ$ вертикальное изменение, то есть, ось X. Значение азимута находится между $-180^\circ$ и $180^\circ$ и значение el находится между $-90^\circ$ и $90^\circ$ . Смотрите Сферические координаты.

Рисунок 1: соглашение Сферической системы координат используется в Phased Array System Toolbox™.

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. Симулированная диаграмма направленности представлена как матрица M-3, где первый столбец представляет угол азимута $\phi$ , второй столбец представляет угол возвышения $\theta$ , и третий столбец представляет диаграмму направленности в дБ. Систему координат и определения $\theta$ и $\phi$ используемый в HFSS показывают в рисунке 2. В этом соглашении основной луч антенны указывает вдоль оси z, которая обычно указывает вертикально. Значение $\phi$ - между $0^\circ$ и $360^\circ$ и значение $\theta$ - между $0^\circ$ и $180^\circ$ .

Рисунок 2: соглашение Сферической системы координат используется в HFSS.

Обратите внимание на то, что система координат HFSS не является точно тем же самым как $\phi-\theta$ системой координат, используемой в Phased Array System Toolbox™. В HFSS луч mainlobe точки вдоль оси z и плоскости, ортогональной к лучу, формируется из x-и осей y. Один возможный подход, чтобы импортировать пользовательский шаблон в $\phi-\theta$ соглашении без любого вращения осей координат показывают ниже.

Например, шаблон антенны кардиоидной формы симулирован в $\phi$ - $\theta$ соглашение и сохранен в .csv файл. Функция помощника helperPatternImport читает .csv файл и переформатировал свое содержимое в двумерную матрицу в $\phi$ и $\theta$ .

[pattern_phitheta,phi,theta] = helperPatternImport;

Шаблон phi-теты может теперь использоваться, чтобы сформировать пользовательский антенный элемент. 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, ...
                              'PatternCoordinateSystem','phi-theta',...
                              'PhiAngles',phi,...
                              'ThetaAngles',theta,...
                              'MagnitudePattern',pattern_phitheta,...
                              'PhasePattern',zeros(size(pattern_phitheta)));

Чтобы проверить, что шаблон был правильно импортирован, постройте ответ пользовательского антенного элемента. Заметьте, что основной луч указывает на $0^\circ$ азимут и $90^\circ$ вертикальное изменение, пользовательский шаблон с основным лучом вдоль оси z импортируется без любого вращения.

fmax = freqVector(end);
pattern(antenna,fmax,'Type','powerdb')

Создайте антенную решетку

Рассмотрите антенную решетку с 100 элементами, элементы которой находятся на 10 10 прямоугольной сетке, как показано в рисунке 3. Чтобы гарантировать, что никакие скрипучие лепестки не появляются, элементы расположены с интервалами в половине длины волны на самой высокой рабочей частоте. Этот прямоугольный массив может быть создан с помощью следующих команд.

Рисунок 3: 10 10 URA.

c = physconst('LightSpeed');
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: [0.1199 0.1199]
           Lattice: 'Rectangular'
       ArrayNormal: 'x'
             Taper: 1

Общая диаграмма направленности получившейся антенной решетки построена ниже на u-v пробеле. Шаблон является комбинацией и шаблона 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]);

Регулируйте луч в азимуте

Этот раздел иллюстрирует идею фазы, регулирующей массив. Преимущество фазированных решеток по одному антенному элементу состоит в том, что основной луч может электронно управляться к данному направлению. Регулирование выполняется путем корректировки весов, присвоенных каждому элементу. Набор весов также называется держащимся вектором. Каждый вес является комплексным числом, величина которого управляет характеристиками бокового лепестка массива и чья фаза регулирует луч.

Пример сканирует основной луч массива от $-30^\circ$ азимута до $30^\circ$ азимута с углом возвышения, зафиксированным в $0^\circ$ во время скана.

helperPatternScan(array)

clear helperPatternScan

Постройте радар вертикальная схема покрытия

Когда радар развертывается в поле, его 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 вертикального изменения является часто вполне сложным, и радарный инженер часто должен делать грубую оценку вертикального покрытия во время этапа разработки системы. Этот раздел показывает, как оценить радар вертикальная схема, также называемая графиком Блэйка, если массив развертывается на высоте 20 метров и покрывает область значений свободного пространства 100 км.

Выведите шаблон вертикального изменения.

el_ang = -90:90;
arrayresp = phased.ArrayResponse('SensorArray',array, ...
    'PropagationSpeed',c);
el_pat = abs(arrayresp(fmax,el_ang));  % elevation pattern

Постройте радар вертикальная схема.

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 в угле возвышения $1^\circ$ намного меньше по сравнению с целью в той же области значений в соседнем угле возвышения. 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.

Сводные данные

В этом примере показано, как создать и анализировать антенную решетку с помощью пользовательского шаблона антенны. Шаблон может быть сгенерирован с помощью двухполупериодного программного обеспечения симуляции моделирования с $\phi$ - $\theta$ соглашение. Шаблон может затем использоваться, чтобы сформировать пользовательский антенный элемент. Полученный массив используется, чтобы сгенерировать вертикальную схему покрытия и также сканируется от $-30^\circ$ к $30^\circ$ в направлении азимута, чтобы проиллюстрировать руководящую концепцию фазы.

Документация