Настройка параметров частоты и массива

Выберите расчетную частоту 1,8 ГГц, которая является одной из несущих частот для 3G/4G сотовых систем. Определите размер массива, используя количество элементов, N и межэлементный интервал, dx.

fc = 1.8e9;
vp = physconst('lightspeed');
lambda0 = vp/fc;
N = 4;
dx = lambda0/2;

Проектирование антенного элемента и создание решетки

Для этого примера мы проектируем отражатель на полуволновой дипольной антенне. Отражатель имеет половину длины волны вдоль оси x и четверть длины волны по ширине вдоль оси y.

r = design(reflector,fc);
r.GroundPlaneLength = lambda0/2;
r.GroundPlaneWidth = lambda0/4;
figure
show(r)

Используйте диполь с отражателем в качестве отдельного элемента для линейной матрицы. Используйте свойство NumElements, чтобы изменить линейный массив на 4 элемента, а не на 2. Измените расстояние между элементами на половину длины волны.

lA = linearArray;
lA.Element = r;
lA.ElementSpacing = dx;
lA.NumElements = N;
figure
show(lA)

Расчет и печать массива 3D

По умолчанию все четыре элемента в этой матрице возбуждаются напряжением 1V в фазе 0 o. Вычислите диаграмму направленности дальнего поля этой однородно возбужденной матрицы на центральной частоте.

figure
pattern(lA,fc)

Изменение шаблона плоскости E и H полностью возбужденного массива

Матрица, расположенная в плоскости x-y, приводит к тому, что большая часть излучения направляется к зениту. Изменения массива вдоль углов возвышения могут быть зафиксированы вдоль двух ортогональных азимутальных срезов; при азимуте 0 ° и при 90 °. Визуализация изменения направленности с углом возвышения в этих двух плоскостях осуществляется с помощью функции поляризационной диаграммы.

az = 0:5:360;
el = -180:1:180;

figure
patternElevation(lA,fc,0);

pE = polarpattern('gco');

figure
patternElevation(lA,fc,90);

pH = polarpattern('gco');

Расчет комплексных дальних полей встраиваемых элементов

Шаблон внедренного элемента относится к шаблону одиночного элемента, внедренного в конечный массив, который вычисляется путем возбуждения центрального элемента в массиве и завершения всех других элементов в опорный импеданс [1] - [3]. Рисунок ведомого элемента, называемого внедренным элементом, включает в себя эффект соединения с соседними элементами. В антенном Toolbox™ в качестве возбуждения используется идеальный источник напряжения. Чтобы воссоздать узор дальнего поля из суперпозиции сложных дальних полей, используйте очень малое значение сопротивления для завершения остальных элементов. Во-вторых, суперпозицию надо делать на сложном дальнем поле. Используйте функцию EHfields для вычисления комплексных электрических и магнитных полей в различных точках пространства из-за каждого возбужденного элемента. Для этого примера выберите сферическое расположение точек в углах плоскости E и H, определенных ранее. Точки дальнего поля вычисляются с радиусом $$\mathrm{100}$$λ.

R   = 100*299792458/min(fc);
coord = 'sph';
phi   = az;
theta = 90 - el;
[Points, ~, ~] = em.internal.calcpointsinspace( phi, theta, R,coord);
N = lA.NumElements;
E = zeros(3,size(Points,2),N);
for i = 1:N
    E(:,:,i) = EHfields(lA,fc,Points,'ElementNumber',i,'Termination',1e-12);                                 
end

Суперпозиция полей шаблона встроенного элемента

Объединение отдельных моделей электрического поля внедренного элемента в дальнем поле. Для сравнения с шаблоном полностью возбужденной матрицы вычислите величину. Это будет использоваться для вычисления общей направленности в плоскости E и H соответственно.

arrayEfieldpat = sum(E,3);
MagEsquare = dot(arrayEfieldpat, arrayEfieldpat);
MagE = sqrt(MagEsquare);
MagE = reshape(MagE,length(az),length(el));

Вычислительная направленность массива

Направленность - мера мощностной проекционной способности антенны или решетки как функции различных углов в пространстве. Он определяет общую форму возможности проекции мощности излучающей структуры. Чтобы вычислить это, найдите интенсивность излучения в конкретных направлениях и разделите ее на полную излучаемую мощность от структуры по всем направлениям. Перед сферой дальнего поля, над которой происходит это вычисление мощности, устанавливается значение 100 $$\lambda$$.

RadiatedPower = em.internal.calcRadiatedPower(lA,fc,R);
eta = sqrt(1.25663706e-06/8.85418782e-12);
U =  R^2*MagE.^2/(2*eta);
D =  10*log10(4*pi*U/RadiatedPower);

Сравнение шаблонов

Наложение результата направленности из суперпозиции встроенных шаблонов элементов на результат из вычисления для полностью возбужденной матрицы.

idphi0  = find(az==0);
idphi90 = find(az==90);
Dphi    = D(idphi0,:);
Dphi90  = D(idphi90,:);
add(pE,el,Dphi);
pE.LegendLabels = {'Full-wave','Embedded superposition'};
pE.MagnitudeLim = [-40 20];
pE.Marker = {'+','.'};
pE.TitleTop = 'Elevation Slice @ az = 0 deg';

add(pH,el,Dphi90);
pH.LegendLabels = {'Full-wave','Embedded superposition'};
pH.MagnitudeLim = [-40 20];
pH.Marker = {'+','.'};
pH.TitleTop = 'Elevation Slice @ az = 90 deg';

Резюме

Использование суперпозиции на сложных дальних полях, создаваемых отдельными элементами массива, создает тот же шаблон, что и у массива с равномерным возбуждением.

См. также

Моделирование взаимной связи в больших массивах с использованием массива встроенных элементов

Ссылка

[1] Р. Дж. Майю, «Справочник по фазированной антенной решетке», Artech House, 2-е издание, 2005.

[2] В. Штутцман, Г. Тиле, «Теория и дизайн антенн», John Wiley & Sons Inc., 3-е издание, 2013.

[3] Р. К. Хансен, фазированные антенные решетки, главы 7 и 8, Джон Уайли и сыновья Inc.,2nd Издание, 1998.