在相控阵天线子阵
这个例子展示了如何建模子数组中常用现代相控阵系统,使用相控阵系统工具箱™和执行分析。
介绍
和传统的碟形天线相控阵天线提供了许多好处。相控阵天线的元素更容易制造;整个系统遭受更少的组件失败;和最重要的是,电子扫描走向不同的方向。
然而,这种灵活性并不免费。充分利用相控阵需要将操舵回路和T / R开关在每个单独的元素。应用程序需要大型阵列的成千上万的元素,这样做的成本太高,是切实可行的。此外,在许多这样的应用程序中,所需的性能不需要完整的自由度从数组中。因此,在实践中,部署系统通常使用一个妥协的方法。元素分组分成子队列,然后整个数组形式。元素仍然是容易制造;整个数组依然强劲对组件失败;此外,T / R开关只需要在每个子数组,从而大大减少了成本。
以下部分展示如何模型子阵列网络与不同的配置两个特定的应用程序:有限的视野(LFOV)数组和宽带阵列。
有限的视野(LFOV)数组
在卫星应用程序LFOV数组是常用的。顾名思义,LFOV数组只扫描在一个非常有限的窗口,通常低于10度。因此,可以使用子阵和子阵可以放置在一个间隔远远大于波长的一半。
最简单的方法构造一个连续子序列是瓦子数组的数组。下面的代码片段构建64 -齿龈由八这种8-element元素。在每个子数组,元素间距为波长的一半。注意,没有转向能力在每个子数组的数组只能引导使用子阵。
阵列几何可以看到如下图所示。
fc = 3 e8;c = 3 e8;天线= phased.IsotropicAntennaElement (“BackBaffled”,真正的);N = 64;Nsubarray = 8;subula = phased.ULA (N / Nsubarray 0.5 * c / fc,“元素”,天线);replarray = phased.ReplicatedSubarray (“子数组”subula,…“GridSize”[1 Nsubarray])
replarray =分阶段。ReplicatedSubarray属性:子数组:[1 x1分阶段。齿龈]布局:“矩形”GridSize: 8 [1] GridSpacing:“汽车”SubarraySteering:“没有”
接下来,比较这个数组的辐射模式的辐射图64 -元素齿龈没有子序列。
refula = phased.ULA (N, 0.5 * c / fc,“元素”,天线);次要情节(2,1,1),模式(fc, replarray 180:180, 0,“类型”,“powerdb”,…“CoordinateSystem”,“矩形”,“PropagationSpeed”c);标题(的子数组齿龈方位角切的);轴((-90 90 -50 0));次要情节(2,1,2)模式(fc, refula 180:180, 0,“类型”,“powerdb”,…“CoordinateSystem”,“矩形”,“PropagationSpeed”c);标题(“齿龈方位角切”);轴((-90 90 -50 0));
从情节,很明显,这两个在侧向反应是相同的。请注意,即使子序列分布稀疏,没有栅瓣响应。
接下来,引导数组2度方位。
steerang = 2;steeringvec_replarray = phased.SteeringVector (“SensorArray”replarray,…“PropagationSpeed”c);w = steeringvec_replarray (fc, steerang);steeringvec_refula = phased.SteeringVector (“SensorArray”refula,…“PropagationSpeed”c);steerang wref = steeringvec_refula (fc);次要情节(2,1,1),模式(fc, replarray 180:180, 0,“类型”,“powerdb”,…“CoordinateSystem”,“矩形”,“PropagationSpeed”c“重量”,w);标题(的子数组齿龈方位角切的);轴((-90 90 -50 0));次要情节(2,1,2)模式(fc, refula 180:180, 0,“类型”,“powerdb”,…“CoordinateSystem”,“矩形”,“PropagationSpeed”c“重量”,wref);标题(“齿龈方位角切”);轴((-90 90 -50 0));
在这种情况下,引用数组的反应仍然保留原来的形状,但这不是子数组的齿龈。子数组的齿龈,虽然mainlobe正确引导和站远高于旁瓣,响应明显显示了通常被称为量化叶。这个名字来自这样一个事实:指导是在子阵列级别;因此,所需的相移子数组的每个元素是量子化的水平。数组时这种效应恶化将进一步从侧向。下面的情节显示响应后转向阵列侧向向6度。
steerang = 6;w = steeringvec_replarray (fc, steerang);steerang wref = steeringvec_refula (fc);次要情节(2,1,1),模式(fc, replarray 180:180, 0,“类型”,“powerdb”,…“CoordinateSystem”,“矩形”,“PropagationSpeed”c“重量”,w);标题(的子数组齿龈方位角切的);轴((-90 90 -50 0));次要情节(2,1,2)模式(fc, refula 180:180, 0,“类型”,“powerdb”,…“CoordinateSystem”,“矩形”,“PropagationSpeed”c“重量”,wref);标题(“齿龈方位角切”);轴((-90 90 -50 0));
因此,当形成一个LFOV,需要谨慎使用连续的子串。
弥补量化叶的一个方法是添加每个元素背后的相移。虽然增加了成本,它还提供了一个大的储蓄相比,全自由度数组,因为T / R开关,这是最昂贵的部分,只需要在子数组实现的水平。如果有移相器后面每一个元素,那么响应变得更好,如以下所示图,假设每个元素背后的相移也配置为每个子数组指向6度较宽。
释放(replarray);replarray。SubarraySteering =“阶段”;replarray。PhaseShifterFrequency = fc;次要情节(2,1,1);模式(fc, replarray 180:180 0“类型”,“powerdb”,“重量”w,…“CoordinateSystem”,“矩形”,“PropagationSpeed”c“SteerAngle”6);标题(的子数组齿龈方位角切的);轴((-90 90 -50 0));次要情节(2,1,2);模式(fc, refula 180:180 0“类型”,“powerdb”,…“CoordinateSystem”,“矩形”,“PropagationSpeed”c“重量”,wref);标题(“齿龈方位角切”);轴((-90 90 -50 0));
作为边注,元素和子阵不一定相同的方向行驶。在某些应用程序中,子阵内的元素正驶向一个特定的方向前进。子阵可以带领不同的方向搜索附近。
宽带扫描阵列
尽管电子扫描阵列通常被称为一个分阶段数组,在现实中,调整阶段引导数组只有一个方法。的相移,本性,窄带设备所以他们只工作范围很窄,尤其是对于大型数组。下面的图显示了引用数组时辐射模式阶段带领30度,载波频率和载波频率高出3%。
fsteer = 1.03[1] *俱乐部;steerang = 30;释放(steeringvec_refula);steerang wref =挤压(steeringvec_refula (fc));次要情节(2,1,1)模式(refula, fsteer 180:180 0,“类型”,“powerdb”,…“CoordinateSystem”,“矩形”,“PropagationSpeed”c“重量”,wref);标题(“齿龈方位角切”);轴((-90 90 -50 0));次要情节(2,1,2)模式(refula, fsteer 180:180 0,“类型”,“powerdb”,…“CoordinateSystem”,“矩形”,“PropagationSpeed”c“重量”,wref);标题(“齿龈方位降低,峰值放大视图”);轴([25 35 5 0]);
很明显从图,即使频率偏移是一个仅有3%,峰值位置离开所需的方向。这被称为斜视的效果。因此,实现转向宽带,需要引导使用真正的时间延迟。
实现真正的时间延迟最受欢迎的方式是使用电缆。然而,在一个大阵列孔径与成千上万的元素,实现潜在的巨大时间延迟可能需要大量的电缆。因此,这种方法不仅昂贵,而且繁琐。子序列之间提供一个妥协的准确性和可行性。总之,在每个子数组中,指导是通过阶段;在子阵中,指导是由真正的时间延迟。
建立这样一个数组的最简单的方法是连续组子数组的前面部分。
下面的情节比较子阵列的辐射模式在三个频段齿龈。数组是驶向30度方位在子阵列级别使用真正的时间延迟。再一次,在每个子数组中,元素也驶向30度方位。辐射模式显示在载波频率、载波频率高出10%,载波频率高出15%。
steerang = 30;fsteer = 1.1 - 1.15[1] *俱乐部;释放(steeringvec_replarray);释放(steeringvec_refula);w =挤压(steeringvec_replarray (fsteer steerang));wref =挤压(steeringvec_refula (fsteer steerang));次要情节(2,1,1)模式(replarray, fsteer 180:180 0,“类型”,“powerdb”,…“PropagationSpeed”c“CoordinateSystem”,“矩形”,“重量”w,…“SteerAngle”,steerang);标题(的子数组齿龈方位角切的);轴((-90 90 -50 0));次要情节(2,1,2)模式(replarray, fsteer 180:180 0,“类型”,“powerdb”,…“PropagationSpeed”c“CoordinateSystem”,“矩形”,“重量”w,…“SteerAngle”,steerang);标题(的子数组齿龈方位,峰值放大视图的);轴([25 35 5 0]);
情节表明,斜视的效果一直压制即使带宽是更广泛的比前一情况。然而,正如在LFOV的情况下,如果所需的带宽扩展15%以上载波频率,辐射模式由于量子化叶变成了不受欢迎的。
解决这个问题的一个方法是使用对非周期子阵配置。这种配置是交错的子数组的例子重叠子阵,甚至随机子序列。下一个例子显示了一个交错的子数组,子数组的两端交错重叠。因为它不再是由相同的子序列,需要从大阵孔径和分区来实现这样的配置。
阵列几何可以看到如下图所示。
partarray =…phased.PartitionedArray (“数组”phased.ULA (N, 0.5,“元素”天线)…“SubarraySteering”,“阶段”);选取= 0 (Nsubarray N);Nsec = N / Nsubarray;为m = 1: Nsubarray如果m = = 1选取(m (m - 1) * Nsec + 1: m * Nsec + 1) = 1;elseifm = = Nsubarray选取(m, (m - 1) * Nsec: m * Nsec) = 1;其他的(m - 1) * Nsec选取(m: m * Nsec + 1) = 1;结束结束partarray。SubarraySelection =选取
partarray =分阶段。PartitionedArray属性:数组:[1 x1分阶段。齿龈]SubarraySelection: [8 x64双]SubarraySteering:“阶段”PhaseShifterFrequency: 300000000 NumPhaseShifterBits: 0
由此产生的辐射模式中可以看到以下数据。
steeringvec_partarray =…phased.SteeringVector (“SensorArray”partarray,“PropagationSpeed”c);wwa =挤压(steeringvec_partarray (fsteer steerang));次要情节(2,1,1);模式(partarray fsteer 180:180 0,“类型”,“powerdb”,…“PropagationSpeed”c“CoordinateSystem”,“矩形”,“重量”wwa,…“SteerAngle”,steerang);标题(交错、重叠子数组齿龈方位角切的);轴((-90 90 -50 0));次要情节(2,1,2);模式(replarray fsteer 180:180 0,“类型”,“powerdb”,…“PropagationSpeed”c“CoordinateSystem”,“矩形”,“重量”w,…“SteerAngle”,steerang);标题(“连续的子数组齿龈方位角切的);轴((-90 90 -50 0));
新的辐射模式抑制了大量化叶,实现增益为5 dB。更高的收益可以通过设计一个更复杂的重叠子阵列网络,但这是这个例子的范围之外。
总结
这个例子展示了如何模型和子阵相控阵和演示了几个实际问题应用子数组时技术应用,如LFOV数组或宽带扫描阵列。
参考
罗伯特•Mailloux [1]电子扫描阵列2007年,摩根Claypool &。
