Импорт диаграммы направленности

В зависимости от применения практические фазированные антенные решетки иногда используют специально разработанные антенные элементы, диаграмма направленности которых не может быть представлена уравнением замкнутой формы. Даже когда структура элементов хорошо понятна, как в случае с дипольной антенной, взаимная связь между элементами может значительно изменить структуру отдельных элементов, когда элемент помещен в решетку. Это делает узор закрытой формы менее точным. Поэтому для анализа с высокой точностью часто требуется использовать заказную картину излучения, полученную в результате измерений или моделирования.

Не существует стандартного соглашения для системы координат, используемой для задания диаграммы направленности, поэтому результат одного пакета моделирования часто не может быть непосредственно использован в другом пакете программного обеспечения. Например, в фазированной матричной системе Toolbox™ (PST) картина излучения выражается с использованием углов азимута (az) и возвышения (el), как показано на фиг.1. Предполагается, что главный луч антенны указывает в сторону азимута и возвышения, то есть оси X. Значение az лежит между и, а значение el лежит между и. См. раздел Сферические координаты.

Рис. 1: Соглашение о сферической системе координат, используемое в Toolbox™ системы фазированной решетки.

HFSS™ часто используемый инструмент полноволнового моделирования для моделирования диаграмм антенного излучения. В этом инструменте отдельные элементы моделируются так, как если бы они были частью бесконечного массива. Моделируемая картина излучения представлена в виде M-by-3 матрицы, где первая колонка представляет азимутальный угол, вторая колонка представляет угол места, а третья колонка представляет картину излучения в дБ. Система координат и определения, используемые в HFSS, показаны на рис. 2. В этом соглашении главный луч антенны указывает вдоль оси z, которая обычно указывает вертикально. Значение находится между и, а значение между и.

Рис. 2: Соглашение о сферической системе координат, используемое в HFSS.

Обратите внимание, что система координат HFSS не совпадает с системой координат, используемой в Toolbox™ системы фазированных массивов. В HFSS основная часть луча указывает вдоль оси Z, а плоскость, ортогональная балке, формируется из осей x и y. Ниже показан один возможный подход к импорту пользовательского массива в соглашении без поворота координатных осей.

Например, диаграмма направленности антенны в форме кардиоида моделируется в соглашении и сохраняется в .csv файл. Вспомогательная функция helperPatternImport считывает .csv и переформатирует его содержимое в двумерную матрицу в и.

[pattern_phitheta,phi,theta] = helperPatternImport;

Теперь можно использовать диаграмму phi-theta для формирования пользовательского антенного элемента. Предположим, что эта антенна работает в диапазоне от 1 до 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 убедиться в правильности импорта шаблона, постройте график отклика пользовательского антенного элемента. Обратите внимание, что главная балка указывает на азимут и отметку, пользовательский массив с главной балкой вдоль оси Z импортируется без какого-либо поворота.

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

Построение антенной решетки

Рассмотрим 100-элементную антенную решетку, элементы которой расположены на прямоугольной сетке 10 на 10, как показано на рис. 3. Чтобы гарантировать отсутствие лепестков решетки, элементы разнесены на половину длины волны при наибольшей рабочей частоте. Этот прямоугольный массив можно создать с помощью следующих команд.

Рисунок 3: URA 10 на 10.

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 результирующей антенной решетки изображена ниже в пространстве u-v. Массив представляет собой комбинацию массива элементов и коэффициента массива.

pattern(array,fmax,'PropagationSpeed',c,'Type','powerdb',...
    'CoordinateSystem','UV');

Можно также легко исследовать u-образный разрез рисунка, как показано ниже.

pattern(array,fmax,-1:0.01:1,0,'PropagationSpeed',c, ...
    'CoordinateSystem','UV','Type','powerdb')
axis([-1 1 -50 0]);

Управление балкой по азимуту

В этом разделе показана идея управления фазой массива. Преимущество фазированных решеток по сравнению с одним антенным элементом состоит в том, что главный луч может управляться электронным способом в заданном направлении. Управление осуществляется путем регулировки веса, присвоенного каждому элементу. Набор весов также называется вектором рулевого управления. Каждый вес представляет собой комплексное число, величина которого управляет характеристиками боковин матрицы и чья фаза управляет пучком.

В примере выполняется сканирование основного луча массива от азимута к азимуту с фиксированным углом возвышения во время сканирования.

helperPatternScan(array)

clear helperPatternScan

Резюме

В этом примере показано, как построить и проанализировать антенную решетку с помощью пользовательской диаграммы направленности антенны. Шаблон может быть сгенерирован с помощью программного обеспечения для моделирования в режиме полной волны с помощью соглашения. Затем узор можно использовать для формирования пользовательского антенного элемента. Результирующая матрица сканируется от до в азимутальном направлении для иллюстрации концепции управления фазой.