В этом примере показано, как моделировать субчипы, обычно используемые в современных системах с фазированными массивами, с помощью Toolbox™ Система с фазированными массивами (Phased Array System) и выполнять анализ.
Фазированные антенные решетки обеспечивают множество преимуществ по сравнению с традиционными дисковыми антеннами. Элементы фазированных антенных решеток легче изготавливать; вся система меньше страдает от отказов компонентов; и, что лучше всего, может быть отсканировано электронным способом в разные стороны.
Однако такая гибкость не предоставляется бесплатно. Использование всех преимуществ фазированной матрицы требует размещения схемы управления и T/R-переключателей за каждым отдельным элементом. Для приложений, требующих больших массивов с тысячами или десятками тысяч элементов, затраты на это слишком высоки, чтобы быть практичными. Кроме того, во многих таких приложениях желаемая производительность не требует полной степени свободы от массива. Следовательно, на практике развернутые системы часто используют компромиссный подход. Элементы группируются в подрешетки, а затем подрешетки образуют весь массив. Элементы все еще просты в изготовлении; весь массив по-прежнему надежен по отношению к сбоям компонентов; кроме того, T/R-переключатели необходимы только для каждой подрешетки, что значительно снижает стоимость.
В следующих разделах показано, как моделировать сеть субчипов с различными конфигурациями для двух конкретных приложений: массивов ограниченного поля зрения (LFOV) и широкополосных массивов.
Матрицы LFOV обычно используются в спутниковых приложениях. Как следует из названия, массив LFOV сканирует только в очень ограниченном окне, обычно менее 10 градусов. Благодаря этому можно использовать подрешетки, и такие подрешетки могут быть размещены на расстоянии, значительно большем, чем половина длины волны.
Простейшим способом построения массива с субчипами является непрерывное наложение на него мозаики. Следующий фрагмент кода создает 64-элементную ULA, состоящую из восьми 8-элементных ULA. Внутри каждой подрешетки элементы разнесены на половину длины волны. Следует отметить, что внутри каждого подмассива отсутствует возможность управления, поэтому управлять массивом можно только с помощью подмагистралей.
Геометрия массива показана на следующем рисунке.
fc = 3e8; c = 3e8; antenna = phased.IsotropicAntennaElement('BackBaffled',true); N = 64; Nsubarray = 8; subula = phased.ULA(N/Nsubarray,0.5*c/fc,'Element',antenna); replarray = phased.ReplicatedSubarray('Subarray',subula,... 'GridSize',[1 Nsubarray])
replarray =
phased.ReplicatedSubarray with properties:
Subarray: [1x1 phased.ULA]
Layout: 'Rectangular'
GridSize: [1 8]
GridSpacing: 'Auto'
SubarraySteering: 'None'
Затем сравните диаграмму направленности этой матрицы с диаграммой направленности 64-элементной ULA без подрешеток.
refula = phased.ULA(N,0.5*c/fc,'Element',antenna); subplot(2,1,1), pattern(replarray,fc,-180:180,0,'Type','powerdb',... 'CoordinateSystem','rectangular','PropagationSpeed',c); title('Subarrayed ULA Azimuth Cut'); axis([-90 90 -50 0]); subplot(2,1,2), pattern(refula,fc,-180:180,0,'Type','powerdb',... 'CoordinateSystem','rectangular','PropagationSpeed',c); title('ULA Azimuth Cut'); axis([-90 90 -50 0]);
Из сюжета ясно, что два ответа идентичны на широкой стороне. Следует отметить, что даже если подрешетки расположены на большом расстоянии друг от друга, в ответе отсутствует лепесток решетки.
Затем наведите оба массива на 2 градуса азимута.
steerang = 2; steeringvec_replarray = phased.SteeringVector('SensorArray',replarray,... 'PropagationSpeed',c); w = steeringvec_replarray(fc,steerang); steeringvec_refula = phased.SteeringVector('SensorArray',refula,... 'PropagationSpeed',c); wref = steeringvec_refula(fc,steerang); subplot(2,1,1), pattern(replarray,fc,-180:180,0,'Type','powerdb',... 'CoordinateSystem','rectangular','PropagationSpeed',c,'Weights',w); title('Subarrayed ULA Azimuth Cut'); axis([-90 90 -50 0]); subplot(2,1,2), pattern(refula,fc,-180:180,0,'Type','powerdb',... 'CoordinateSystem','rectangular','PropagationSpeed',c,'Weights',wref); title('ULA Azimuth Cut'); axis([-90 90 -50 0]);
В этом случае отклик опорного массива по-прежнему сохраняет свою первоначальную форму, но это не относится к субчистому ULA. Для подмастерного ULA, хотя основной блок правильно управляется и стоит значительно выше боковых блоков, отклик ясно показывает то, что часто называют лепестками квантования. Название происходит от того, что рулевое управление находится на уровне подрешетки; следовательно, требуемый фазовый сдвиг для каждого элемента квантуется на уровне подрешетки. Этот эффект ухудшается, когда массив направляется дальше от ширины. Следующие графики показывают отклик после управления массивами в направлении 6 градусов от ширины.
steerang = 6; w = steeringvec_replarray(fc,steerang); wref = steeringvec_refula(fc,steerang); subplot(2,1,1), pattern(replarray,fc,-180:180,0,'Type','powerdb',... 'CoordinateSystem','rectangular','PropagationSpeed',c,'Weights',w); title('Subarrayed ULA Azimuth Cut'); axis([-90 90 -50 0]); subplot(2,1,2), pattern(refula,fc,-180:180,0,'Type','powerdb',... 'CoordinateSystem','rectangular','PropagationSpeed',c,'Weights',wref); title('ULA Azimuth Cut'); axis([-90 90 -50 0]);
Поэтому при формировании LFOV необходимо проявлять осторожность при использовании смежных субчипов.
Одним из способов компенсации лепестков квантования является добавление фазовращателей за каждым элементом. Хотя это увеличивает стоимость, оно по-прежнему обеспечивает большую экономию по сравнению с массивом полной степени свободы, поскольку коммутаторы T/R, которые являются наиболее дорогими частями, должны быть реализованы только на уровне подмассива. Если за каждым элементом имеется фазовращатель, то отклик становится намного лучше, как показано на следующих графиках, предполагая, что фазовращатели за каждым элементом также сконфигурированы так, чтобы направлять каждую подрешетку в направлении 6 градусов от ширины.
release(replarray); replarray.SubarraySteering = 'Phase'; replarray.PhaseShifterFrequency = fc; subplot(2,1,1); pattern(replarray,fc,-180:180,0,'Type','powerdb','Weights',w,... 'CoordinateSystem','rectangular','PropagationSpeed',c,'SteerAngle',6); title('Subarrayed ULA Azimuth Cut'); axis([-90 90 -50 0]); subplot(2,1,2); pattern(refula,fc,-180:180,0,'Type','powerdb',... 'CoordinateSystem','rectangular','PropagationSpeed',c,'Weights',wref); title('ULA Azimuth Cut'); axis([-90 90 -50 0]);
В качестве побочного примечания элемент и подрешетки не обязательно направляются в одном направлении. В некоторых применениях элементы внутри подрешеток направляются в определенном направлении. Затем субчипы могут направляться в несколько разные направления для поиска окрестностей.
Хотя массив с электронным сканированием часто называют фазированным массивом, в действительности корректировка фазы является лишь одним из способов управления массивом. Фазовращатели по своей природе являются узкополосными устройствами, поэтому они хорошо работают только в узком диапазоне, особенно для больших массивов. На следующем рисунке показаны диаграммы направленности, когда эталонная матрица имеет фазовое управление до 30 градусов, как на несущей частоте, так и на 3% выше несущей частоты.
fsteer = [1 1.03]*fc; steerang = 30; release(steeringvec_refula); wref = squeeze(steeringvec_refula(fc,steerang)); subplot(2,1,1) pattern(refula,fsteer,-180:180,0,'Type','powerdb',... 'CoordinateSystem','rectangular','PropagationSpeed',c,'Weights',wref); title('ULA Azimuth Cut'); axis([-90 90 -50 0]); subplot(2,1,2) pattern(refula,fsteer,-180:180,0,'Type','powerdb',... 'CoordinateSystem','rectangular','PropagationSpeed',c,'Weights',wref); title('ULA Azimuth Cut, Peak Zoom View'); axis([25 35 -5 0]);
Из рисунка очевидно, что даже несмотря на то, что сдвиг частоты составляет всего 3%, местоположение пика отодвинулось от желаемого направления. Это называется прищуренным эффектом. Таким образом, для достижения управления по широкополосной полосе необходимо управлять, используя истинные временные задержки.
Наиболее популярным способом достижения истинной временной задержки является использование кабелей. Однако в большой апертуре массива с тысячами элементов реализация потенциально огромной временной задержки может потребовать большого количества кабелей. Следовательно, такой подход не только дорогостоящий, но и громоздкий. Субчипы обеспечивают компромисс между точностью и осуществимостью. Таким образом, в каждой подрешетке управление достигается фазой; и среди подрешеток управление осуществляется посредством истинных временных задержек.
Самым простым способом построения такого массива является непрерывная группировка субчипов, как в предыдущих разделах.
На следующих графиках сравниваются диаграммы направленности на трех частотах для субматричной ULA. Массив направляется к 30 градусам азимута на уровне подматрицы с использованием истинной временной задержки. Опять же, внутри каждой подрешетки элементы также направляются к 30 градусам азимута. Диаграмма направленности показана на несущей частоте, на 10% выше несущей частоты и на 15% выше несущей частоты.
steerang = 30; fsteer = [1 1.1 1.15]*fc; release(steeringvec_replarray); release(steeringvec_refula); w = squeeze(steeringvec_replarray(fsteer,steerang)); wref = squeeze(steeringvec_refula(fsteer,steerang)); subplot(2,1,1) pattern(replarray,fsteer,-180:180,0,'Type','powerdb',... 'PropagationSpeed',c,'CoordinateSystem','rectangular','Weights',w,... 'SteerAngle',steerang); title('Subarrayed ULA Azimuth Cut'); axis([-90 90 -50 0]); subplot(2,1,2) pattern(replarray,fsteer,-180:180,0,'Type','powerdb',... 'PropagationSpeed',c,'CoordinateSystem','rectangular','Weights',w,... 'SteerAngle',steerang); title('Subarrayed ULA Azimuth Cut, Peak Zoom View'); axis([25 35 -5 0]);
Графики показывают, что эффект прищуривания был подавлен, даже если ширина полосы намного шире по сравнению с предыдущим случаем. Однако, как и в случае LFOV, если требуемая ширина полосы простирается на 15 процентов выше несущей частоты, картина излучения становится нежелательной из-за лепестков квантования.
Одним из способов решения этой проблемы является использование конфигурации с апериодическими субчипами. Примерами таких конфигураций являются чередующиеся подрешетки, перекрывающиеся подрешетки и даже случайные подрешетки. Следующий пример показывает чересстрочный подрешетку, где концы подрешетки чередуются и перекрываются. Поскольку он больше не образован идентичными субчипами, для достижения такой конфигурации необходимо начинать с большой апертуры массива и разделять ее.
Геометрия массива показана на следующем рисунке.
partarray = ... phased.PartitionedArray('Array',phased.ULA(N,0.5,'Element',antenna),... 'SubarraySteering','Phase'); sel = zeros(Nsubarray,N); Nsec = N/Nsubarray; for m = 1:Nsubarray if m==1 sel(m,(m-1)*Nsec+1:m*Nsec+1) = 1; elseif m==Nsubarray sel(m,(m-1)*Nsec:m*Nsec) = 1; else sel(m,(m-1)*Nsec:m*Nsec+1) = 1; end end partarray.SubarraySelection = sel
partarray =
phased.PartitionedArray with properties:
Array: [1x1 phased.ULA]
SubarraySelection: [8x64 double]
SubarraySteering: 'Phase'
PhaseShifterFrequency: 300000000
NumPhaseShifterBits: 0
Результирующая картина излучения показана на следующих рисунках.
steeringvec_partarray = ... phased.SteeringVector('SensorArray',partarray,'PropagationSpeed',c); wwa = squeeze(steeringvec_partarray(fsteer,steerang)); subplot(2,1,1); pattern(partarray,fsteer,-180:180,0,'Type','powerdb',... 'PropagationSpeed',c,'CoordinateSystem','rectangular','Weights',wwa,... 'SteerAngle',steerang); title('Interlaced and Overlapped Subarrayed ULA Azimuth Cut'); axis([-90 90 -50 0]); subplot(2,1,2); pattern(replarray,fsteer,-180:180,0,'Type','powerdb',... 'PropagationSpeed',c,'CoordinateSystem','rectangular','Weights',w,... 'SteerAngle',steerang); title('Contiguous Subarrayed ULA Azimuth Cut'); axis([-90 90 -50 0]);
Новая картина излучения подавляет наибольший лепесток квантования, достигая коэффициента усиления около 5 дБ. Более высокие преимущества могут быть достигнуты за счет создания более сложной сети с перекрывающимися субчипами, но это выходит за рамки данного примера.
Этот пример показывает, как моделировать фазированную решетку с помощью подрешеток, и иллюстрирует несколько практических проблем при применении методики подрешеток к таким приложениям, как LFOV-массивы или широкополосные сканирующие массивы.
[1] Роберт Майю, электронные сканируемые массивы, Morgan & Claypool, 2007.