Антенны и акустические преобразователи создают излучаемые поля, которые распространяются наружу в пространство или в воздух и воду для акустики. И наоборот, антенны и преобразователи реагируют на падающие поля, создавая выходные напряжения. Преобразователи называются микрофонами или динамиками в речевой акустике или проекторами или гидрофонами в океанской акустике. Электромагнитные поля, создаваемые антенной, или акустическое поле, создаваемое преобразователем, зависят от расстояния и направления от излучателя. Термины «диаграмма отклика» и «диаграмма излучения» часто используются взаимозаменяемо, но термин «диаграмма излучения» в основном используется для описания поля, излучаемого элементом, а термин «диаграмма отклика» в основном используется для описания выходного сигнала антенны в отношении падающего волнового поля как функции направления волны. По принципу взаимности эти две модели идентичны. При обсуждении генерации закономерностей концептуально проще мыслить с точки зрения закономерностей излучения.
В радиолокационных и гидроакустических применениях взаимодействия между полями и целями происходят в дальней области, часто называемой областью Фраунгофера. Дальний регион определяется как регион, для которого
r≫L2/λ
Паттерны излучения можно рассматривать как паттерны поля или как паттерны мощности. Термины «поле» или «мощность» часто добавляются, чтобы быть более конкретными: модель поля контрастного элемента в сравнении с моделью мощности элемента. Диаграмма мощности излучения описывает интенсивность излучения поля, U, как функцию направления. Единицы интенсивности излучения - ватт/стерадиан. Иногда интенсивность излучения путают с плотностью мощности. Плотность мощности, I, - это энергия, проходящая через единицу площади за единицу времени. Единицы измерения плотности мощности - Ватт/квадратный метр. К сожалению, в некоторых дисциплинах плотность мощности иногда называют интенсивностью. Этот документ всегда использует интенсивность излучения вместо интенсивности, чтобы избежать путаницы. Для точечного источника интенсивность излучения - это плотность мощности, умноженная на квадрат расстояния от источника, U = r2I.
Ответ области элемента или образец области элемента представляют угловое распределение электромагнитного поля, создают антенной, E (θ,φ), или скалярная акустическая область, p (θ,φ), произведенный акустическим преобразователем, таким как громкоговоритель или гидротелефон. Поскольку электромагнитное поле в дальнем поле состоит из горизонтальной и вертикальной составляющих ортогонально, (EH ( Акустические поля являются скалярными полями, поэтому существует только один шаблон. Общая форма любого поля или компонента поля:
ikrr
где A - номинальная амплитуда поля, а f (start, start) - нормированная картина поля (нормализованная до единицы). Поскольку образцы полей оцениваются на некотором расстоянии от источника, поля, возвращаемые элементомstep метод представлены просто как A f ( Образец поля номинального элемента можно просмотреть путем вызова элемента.pattern и затем выберите 'Type' значение параметра как 'efield' и установка 'Normalize' параметр для false.
pattern(elem,'Normalize',false,'Type','efield');
'Normalize' значение параметра для true. К примеру, если EH (start, start) - горизонтальная составляющая комплексного электромагнитного поля, то нормализованная картина поля имеет вид | EH (start, start)/EH, max |.pattern(elem,'Polarization','H','Normalize',true,'Type','efield');
Силовая характеристика элемента (или силовая картина излучения элемента) определяется как угловое распределение интенсивности излучения в дальнем поле, Urad ( Когда элементы используются для приема, образцы интерпретируются как чувствительность элемента к радиации, прибывающей от направления (θ,φ), и образец власти представляет силу выходного напряжения элемента как функция направления прибытия волны.
Физически интенсивность излучения для электромагнитного поля, создаваемого антенным элементом, равна
2 + | EV | 2)
где Z0 - характеристический импеданс свободного пространства. Интенсивность излучения акустического поля равна
r22Z 'p | 2
где Z - характеристический импеданс акустической среды. Для полей, создаваемых объектами системы Toolbox™ элементов фазированной решетки, радиальная зависимость, импедансы и величины полей собираются в номинальных амплитудах полей, определенных выше. Тогда интенсивность излучения, как правило, может быть записана
start, start) | 2
Образец интенсивности излучения - это величина, возвращаемая элементом pattern метод, когда 'Normalize' параметр имеет значение false и 'Type' параметр имеет значение 'power' (или 'powerdb' для децибел).
pattern(elem,'Normalize',false,'Type','power');
,ϕ) |2
pattern метод возвращает нормированный шаблон мощности, когда 'Normalize' параметр имеет значение true и 'Type' параметр имеет значение 'power' (или 'powerdb' для децибел).
pattern(elem,'Normalize',true,'Type','power');
Направление элемента измеряет способность антенны или акустического преобразователя излучать или принимать мощность преимущественно в конкретном направлении. Иногда его называют директивным усилением. Направление измеряют путем сравнения интенсивности передаваемого излучения в заданном направлении с интенсивностью передаваемого излучения изотропного излучателя, имеющего одинаковую общую передаваемую мощность. Изотропный излучатель излучает одинаковую мощность во всех направлениях. Интенсивность излучения изотропного излучателя - это всего лишь полная передаваемая мощность, деленная на сплошной угол сферы, 4δ,
Ptotal4δ
Направление элемента определяется как
По этому определению интеграл направленности над сферой, окружающей элемент, равен ровно 4δ. Направленность связана с эффективной шириной луча элемента. Начните с идеальной антенны, которая имеет однородное поле излучения на небольшом сплошном угле (его ширина луча), ΔΛ, в определенном направлении, и ноль за пределами этого угла. Направленность равна
Ptotal = 4 «» ΔΛ
Чем больше направленность, тем меньше ширина луча.
Интенсивность излучения может быть выражена в терминах направленности и общей мощности
Птотал
Например, направленность электрического поля z-ориентированного короткодипольного антенного элемента равна
32cos2start
с пиковым значением 1,5. Часто в качестве рабочего параметра антенны задают наибольшее значение D (start, start). Направление, в котором D (start, start) является наибольшим, является направлением излучения максимальной мощности. Это направление часто называют направлением визирования. В некоторых литературах максимальное значение само по себе называется направленностью, резервируя коэффициент усиления директивы фразы для того, что здесь называется направленностью. Для коротко-дипольной антенны максимальное значение направленности возникает при λ = 0, не зависящее от start, и достигает значения 3/2. Концепция направленности применима и к приемным антеннам. Он описывает выходную мощность как функцию направления прихода плоской волны, падающей на антенну. При взаимности направленность приемной антенны такая же, как и при использовании в качестве передающей антенны. Величина, тесно связанная с направленностью, представляет собой коэффициент усиления элемента. Определение направленности предполагает, что вся мощность, подаваемая на элемент, излучается в пространство. В действительности, системные потери уменьшают интенсивность излучения на некоторый коэффициент, эффективность элемента, «». Термин Ptotal становится мощностью, подаваемой на антенну, а Prad - мощностью, излучаемой в пространство. Затем, Прад = по Ptotal. Коэффициент усиления элемента равен
")
и представляет собой мощность, излучаемую от элемента, по сравнению с общей мощностью, подаваемой на элемент.
Использование элемента pattern , можно построить график направленности элемента, установив 'Type' параметр для 'directivity',
pattern(elem,'Type','directivity');
Когда отдельные антенные элементы агрегируются в решетки элементов, создаются новые диаграммы отклика/излучения, которые зависят как от диаграмм элементов, так и от геометрии решетки. Эти образцы называют beampatterns, чтобы отразить то, что образец может быть построен, чтобы иметь узкое угловое распределение, то есть, луч. Этот термин используется для массива в режимах передачи или приема. Чаще всего, но не всегда, массив состоит из одинаковых антенн. Идентичный корпус антенны интересен тем, что позволяет разделить диаграмму излучения на две составляющие: одна составляющая описывает диаграмму излучения элемента, а вторая - диаграмму излучения решетки.
Так же, как матрица передающих элементов имеет картину излучения, матрица принимающих элементов имеет картину отклика, которая описывает, как изменяется выходное напряжение матрицы с направлением прихода падающей волны плоскости. Благодаря взаимности схема отклика идентична схеме излучения.
Для передающих матриц напряжение, возбуждающее элементы, может регулироваться по фазе, чтобы обеспечить возможность передачи максимальной интенсивности излучения в конкретном направлении. Для приемных матриц поступающие сигналы могут регулироваться по фазе для максимизации чувствительности в конкретном направлении.
Начните с простой модели поля излучения, создаваемого одной антенной, которая задается
где A - амплитуда поля, а f (( Это поле может представлять любую из составляющих электрического поля, скалярного поля или акустического поля. Для массива идентичных элементов выходом массива является взвешенная сумма отдельных элементов с использованием комплексных весов, wm
e−ikrmrm
где rm - расстояние от точки источника m-го элемента до точки поля. В дальней области это уравнение принимает вид
∑m=0M−1wm*e−iku · xm
где xm - векторные позиции элементов массива относительно начала массива. u - единичный вектор от начала массива до точки поля. Это уравнение может быть записано компактно является формой
wHs
Термин wHs называется множителем массива, Farray («» «» «» «» «» «» «» «» «» «» «» «» «» «» «» «» «» «» «» «» «» «» «» «» Вектор s является управляющим вектором (или вектором многообразия массивов) для направлений распространения для передающих массивов или направлений поступления для принимающих массивов.
eiku· xm,...}
Полный образец множества состоит из амплитудного термина, образца элемента, f (θ,φ), и фактор множества, Farray (θ,φ). Полное угловое поведение образца множества, B (θ,φ), называют beampattern множества
=Ae−ikrrB (θ,ϕ)
При вычислении на опорном расстоянии шаблон поля массива имеет вид
"") = AB ("", "" ")
pattern метод, когда 'Normalize' параметр имеет значение false и 'Type' параметр имеет значение 'efield'возвращает величину массива поля на опорном расстоянии.
pattern(array,'Normalize',false,'Type','efield');
'Normalize' параметр имеет значение true, pattern возвращает шаблон, нормализованный к единице.pattern(array,'Normalize',true,'Type','efield');
Шаблон мощности массива задается
| 2 = | AB («», «») | 2
pattern метод, когда 'Normalize' параметр имеет значение false и 'Type' параметр имеет значение 'power' или 'powerdb'возвращает образец мощности массива на опорном расстоянии.
pattern(array,'Normalize',false,'Type','power');
'Normalize' параметр имеет значение true, pattern возвращает образец мощности, нормализованный к единице.pattern(array,'Normalize',true,'Type','power');
Для обычного формирователя луча веса выбирают так, чтобы максимизировать мощность, передаваемую в конкретном направлении, или в случае приемных матриц, чтобы максимизировать отклик матрицы для конкретного направления поступления. Если u0 является желаемым направлением указания, то веса, которые максимизируют мощность и отклик в этом направлении, имеют общую форму
iku0· xm
Для этих весов коэффициент массива становится
u0)· xm
который имеет максимум при u = u0.
Направленность массива определяется так же, как и направленность элемента: интенсивность излучения в определенном направлении, деленная на изотропную интенсивность излучения. Изотропная интенсивность излучения - это суммарная излучаемая мощность массива, деленная на 4δ. В терминах весов массивов и векторов управления направленность может быть записана как
| 2Птоталь
где Ptotal - полная излучаемая мощность массива. В дискретной реализации полная излучаемая мощность может быть вычислена путем суммирования значений интенсивности излучения по однородной сетке углов, которая охватывает всю сферу, окружающую массив.
|2cosθm
где M - количество точек сетки отметок, а N - количество точек сетки азимута.
Поскольку сияющая интенсивность пропорциональна beampattern, B (θ,φ), директивность может также быть написана с точки зрения beampattern
|2cosθdθdϕ
Можно построить график направленности массива, задав значение 'Type' параметра pattern методы для 'directivity',
pattern(array,'Type','directivity');
В панели инструментов системы фазированных массивов коэффициент усиления массива определяется как коэффициент усиления SNR массива. Усиление массива измеряет улучшение SNR принимающего массива по SNR для одного элемента. Поскольку массив является пространственным фильтром, SNR массива зависит от пространственных свойств шумового поля. Когда шум пространственно изотропен, усиление матрицы принимает простую форму
| 2wHw
Кроме того, для массива с равномерными весами коэффициент усиления массива для N-элементного массива имеет максимальное значение при визировании N (или 10logN в БД).