Импорт диаграммы направленности излучения

В зависимости от применения, практические фазированные антенные решетки иногда используют специально разработанные антенные элементы, диаграмма направленности излучения которых не может быть представлена уравнением закрытой формы. Даже когда шаблон элемента хорошо понятен, как в случае с дипольной антенной, взаимная связь между элементами может значительно изменить шаблон отдельного элемента, когда элемент помещен в массив. Это делает шаблон закрытой формы менее точным. Поэтому для анализа шаблона высокой точности часто нужно использовать пользовательскую диаграмму направленности излучения, полученную из измерений или симуляций.

Нет стандартного соглашения для системы координат, используемой для задания диаграммы направленности излучения, поэтому результат от одного пакета симуляции часто не может быть непосредственно использован в другом пакете программного обеспечения. Для примера в Phased Array System Toolbox™ (PST) диаграмма направленности излучения выражается с использованием углов азимута (az) и повышения (el), как изображено в Фигуру 1. Принято, что основной луч антенны указывает к азимуту и повышению, то есть оси X. Значение az лежит между и и значение el находится между и. См. Сферические координаты.

Фигура 1. Система сферических координат, используемая в Phased Array System Toolbox™.

Часто используемый полноволновой инструмент моделирования для симуляции диаграмм направленности антенного излучения HFSS™. В этом инструменте отдельные элементы моделируются так, как если бы они были частью бесконечного массива. Моделируемая диаграмма направленности излучения представлена как матрица M-by-3, где первый столбец представляет угол азимута, второй столбец представляет угол возвышения, а третий столбец представляет диаграмму направленности излучения в дБ. Система координат и определения и используемые в HFSS показаны на фигуре 2. В этом соглашении основной луч антенны указывает вдоль оси Z, которая обычно указывает вертикально. Значение находится между и, а значение - между и.

Фигура 2: Система сферических координат, используемая в HFSS.

Обратите внимание, что система координат HFSS не совсем совпадает с системой координат, используемой в Phased Array System Toolbox™. В HFSS от осей x - и Y формируется основание балки, расположенное вдоль оси Z, и плоскость, ортогональная балке. Один из возможных подходов к импорту пользовательского шаблона в соглашении без какого-либо поворота осей координат показан ниже.

Например, кардиоидный шаблон антенны моделируется в соглашении и сохраняется в .csv файл. Функция помощника helperPatternImport читает .csv файл и переформатирует его содержимое в двумерную матрицу в и.

[pattern_phitheta,phi,theta] = helperPatternImport;

Теперь phi-theta шаблон может использоваться, чтобы сформировать пользовательский антенный элемент. Предположим, что эта антенна работает 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 убедиться, что шаблон был правильно импортирован, постройте график отклика пользовательского антенного элемента. Заметьте, что главная балка указывает на азимут и повышение, пользовательский шаблон с основной балкой вдоль оси Z импортируется без какого-либо поворота.

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

Конструкция антенной решетки

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

Фигура 3: A 10 на 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 излучения получившейся антенной решетки нанесена ниже в u-v пространстве. Шаблон является комбинацией как шаблона элемента, так и фактора массива.

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

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

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

Управляйте балкой в Азимуте

Этот раздел иллюстрирует идею управления фазой массива. Преимущество фазированных решеток по сравнению с одним антенным элементом заключается в том, что основной луч может быть электронно направлен в заданное направление. Управление осуществляется путем регулировки весов, присвоенных каждому элементу. Набор весов также называется вектором рулевого управления. Каждый вес является комплексным числом, величина которого управляет характеристиками бокового колеса массива и чья фаза управляет лучом.

Пример сканирует основной луч массива от азимута до азимута с углом возвышения, фиксированным во время скана.

helperPatternScan(array)

clear helperPatternScan

Сводные данные

В этом примере показано, как создать и проанализировать антенную решетку с помощью пользовательского шаблона антенны. Шаблон может быть сгенерирован с помощью полноволнового программного обеспечения симуляции моделирования с соглашением -.-. Шаблон может затем использоваться, чтобы сформировать пользовательский антенный элемент. Получившийся массив сканируется от до в азимутальном направлении, чтобы проиллюстрировать фазу концепцию рулевого управления.