相控阵天线中的子阵列

此示例显示如何使用相控阵系统Toolbox™和执行分析，示出了模拟子阵列，通常用于现代相控阵系统。

介绍

相控阵天线比传统的碟形天线有很多优点。相控阵天线元件制作简单;整个系统较少受到组件故障的影响;最重要的是，它可以被电子扫描到不同的方向。

然而，这种灵活性并不是免费的。要充分利用相控阵，需要将转向电路和T/R开关放在每个单独的元件后面。对于需要具有数千或数万个元素的大型数组的应用程序，这样做的成本太高，不现实。此外，在许多此类应用中，期望的性能不需要阵列的完全自由度。因此，在实践中，已部署的系统通常使用折衷的方法。元素被分组成子数组，然后子数组形成整个数组。这些元素仍然很容易制造;整个数组对于组件故障仍然是健壮的;另外，每个子阵列只需要T/R开关，大大降低了成本。

以下部分显示如何为两个特定应用程序模拟具有不同配置的子阵列网络：有限的视野（LFOV）阵列和宽带阵列。

有限视野(LFOV)阵列

LFOV阵列通常用于卫星应用。顾名思义，LFOV阵列仅在非常有限的窗口内扫描，通常小于10度。因此，可以使用子阵列，并且这种子阵列可以放置在大于波长的间距的间距。

使用子阵列构造阵列的最简单方法是连续地铺设子阵列。以下代码段构造一个64元素Ula由八个8元素Ulas组成。在每个子阵列中，元素间隔为波长的一半。请注意，每个子阵列内没有导向性能力，因此阵列只能使用子阵列进行转向。

阵列的几何形状可以在下面的图中看到。

fc = 3 e8;c = 3 e8;天线=分阶段。IsotropicAntennaElement (“BackBaffled”，真的）;n = 64;nsubarray = 8;subula = phased.ula（n / nsubarray，0.5 * c / fc，'元素'，天线）;replarray = phased.replationsubarray（“子数组”，subula，......'gridsize'，[1 nsubarray]）

replarray =分阶段。Subarray: [1x1 phase .][ULA]布局:'矩形' GridSize: [1 8] GridSpacing: 'Auto' SubarraySteering: 'None'

接下来，将该阵列的辐射图案与没有子阵列的64元uLa的辐射图谱进行比较。

refula = phased.ula（n，0.5 * c / fc，'元素'，天线）;子图（2,1,1），模式（replarray，Fc，-180：180,0，'类型'那'powerdb'那......'坐标系'那'长方形'那“PropagationSpeed”c);标题（'子阵列ula方位角切割'）;轴([-90 90 -50 0]);子图（2,1,2），模式（REFUSA，FC，-180：180,0，'类型'那'powerdb'那......'坐标系'那'长方形'那“PropagationSpeed”c);标题（'ula方位角切'）;轴([-90 90 -50 0]);

图中包含2个轴。带有标题子阵列的轴1的轴1包含类型线的物体。该对象代表300 MHz。标题ULA方位角切口的轴2包含类型线的对象。该对象代表300 MHz。

从图中，很明显，两个反应在宽边是相同的。注意，即使子阵列广泛间隔，响应中也没有光栅凸形。

接下来，将阵列转向2度方位角。

梯子= 2;steeringvec_replarrarray = phased.steringvector（'sensorarray'，replarray，......“PropagationSpeed”c);w = steeringvec_replarray (fc, steerang);steeringvec_refula =分阶段。SteeringVector ('sensorarray'refula,......“PropagationSpeed”c);韦特= steeringvec_refula（fc，梯亮）;子图（2,1,1），模式（replarray，Fc，-180：180,0，'类型'那'powerdb'那......'坐标系'那'长方形'那“PropagationSpeed”c'重量'，w）;标题（'子阵列ula方位角切割'）;轴([-90 90 -50 0]);子图（2,1,2），模式（REFUSA，FC，-180：180,0，'类型'那'powerdb'那......'坐标系'那'长方形'那“PropagationSpeed”c'重量', wref);标题（'ula方位角切'）;轴([-90 90 -50 0]);

图中包含2个轴。带有标题子阵列的轴1的轴1包含类型线的物体。该对象代表300 MHz。标题ULA方位角切口的轴2包含类型线的对象。该对象代表300 MHz。

在这种情况下，参考阵列的响应仍然保持其原始形状，但子阵列ULA不是这样。对于子阵列ULA，虽然主瓣被正确地操纵并远远高于旁瓣，但响应清楚地显示了通常所说的量化叶片。名称来自于转向处于子阵列的事实;因此，在子阵列级别量化每个元素的所需相移。当阵列进一步从宽边转向时，这种效果变得更糟。以下地图显示在将阵列转向6度的宽边后显示响应。

梯亮= 6;w = steeringvec_replarray (fc, steerang);韦特= steeringvec_refula（fc，梯亮）;子图（2,1,1），模式（replarray，Fc，-180：180,0，'类型'那'powerdb'那......'坐标系'那'长方形'那“PropagationSpeed”c'重量'，w）;标题（'子阵列ula方位角切割'）;轴([-90 90 -50 0]);子图（2,1,2），模式（REFUSA，FC，-180：180,0，'类型'那'powerdb'那......'坐标系'那'长方形'那“PropagationSpeed”c'重量', wref);标题（'ula方位角切'）;轴([-90 90 -50 0]);

图中包含2个轴。带有标题子阵列的轴1的轴1包含类型线的物体。该对象代表300 MHz。标题ULA方位角切口的轴2包含类型线的对象。该对象代表300 MHz。

因此，当形成LFOV时，需要对使用连续子阵列进行谨慎的。

补偿量化凸起的一种方法是在每个元素后面添加相移器。虽然它增加了成本，但它仍然提供了与完整的自由度阵列相比的大节省，因为T / R交换机是最昂贵的零件，只需要在子阵列级别实现。如果每个元件背后存在相移器，则响应变得更好，如以下图所示，假设每个元件后面的相移器也被配置为将每个子阵段指向朝向6度的6度。

释放（副本）;replarray.subarraysteering ='阶段';replarray。PhaseShifterFrequency = fc;次要情节(2,1,1);模式(fc, replarray 180:180 0'类型'那'powerdb'那'重量'w,......'坐标系'那'长方形'那“PropagationSpeed”c'steerangle'6）;标题（'子阵列ula方位角切割'）;轴([-90 90 -50 0]);次要情节(2,1,2);模式(fc, refula 180:180 0'类型'那'powerdb'那......'坐标系'那'长方形'那“PropagationSpeed”c'重量', wref);标题（'ula方位角切'）;轴([-90 90 -50 0]);

图中包含2个轴。带有标题子阵列的轴1的轴1包含类型线的物体。该对象代表300 MHz。标题ULA方位角切口的轴2包含类型线的对象。该对象代表300 MHz。

作为侧面，元件和子阵列不一定转向相同的方向。在一些应用中，子阵列内的元件朝向特定方向转向。然后，子阵列可以转向稍微不同的方向以搜索附近。

宽带扫描阵列

虽然电子扫描的阵列通常被称为a分阶段阵列实际上，调整相位只是一种转向阵列的方法。相移器是本质上窄带装置，因此它们仅在窄带内工作，特别是对于大阵列。下图显示了当参考阵列是阶段转向30度的载波频率和3％以上的载波频率时的辐射图案。

Fsteer = [1 1.03]*fc;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'那'powerdb'那......'坐标系'那'长方形'那“PropagationSpeed”c'重量', wref);标题（'ula方位角切'）;轴([-90 90 -50 0]);子图（2,1,2）模式（Refula，Fster，-180：180,0，'类型'那'powerdb'那......'坐标系'那'长方形'那“PropagationSpeed”c'重量', wref);标题（'Ula方位角剪裁，峰值变焦视图'）;轴（[25 35-5 0]）;

图中包含2个轴。标题为ULA方位角切割的坐标轴1包含2个线型对象。这些物体代表300兆赫，309兆赫。坐标轴2标题ULA方位角切割，峰值缩放视图包含2个对象的类型线。这些物体代表300兆赫，309兆赫。

从该图中显而易见的是，即使频率偏移仅为3％，峰值位置也远离所需方向。这被称为眯影响。因此，为了在宽带上实现转向，需要使用真正的时间延迟来转向。

实现真实时间延迟最受欢迎的方式是使用电缆。然而，在具有数千个元件的大阵列孔径中，实现潜在的巨大的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。子阵列在准确性和可行性之间提供折衷。总之，在每个子阵段中，通过阶段实现转向;在子阵列中，转向是通过真正的延迟完成的。

构建此类数组的最简单方法是将子数组连续分组，如前几节所述。

以下绘图将辐射模式与子阵列Ula的三个频率进行比较。使用真正的时间延迟，阵列在子阵列级别朝向30度方位角转向。同样，在每个子阵列内，元件也朝向30度方位角转向。辐射图案以载波频率表示，高于载波频率的10％，高于载波频率的15％。

steerang = 30;fsteer = [1 1.1 1.15] * FC;发布（STEERINGVEC_REPLARRAY）;释放(steeringvec_refula);w =挤压（steeringvec_replarray（fteer，steerang））;绞腿=挤压（STEERINGVEC_REFULA（FTEREER，Steerang））;子图（2,1,1）模式（副本，Fsteer，-180：180,0，'类型'那'powerdb'那......“PropagationSpeed”c'坐标系'那'长方形'那'重量'w,......'steerangle'，梯亮）;标题（'子阵列ula方位角切割'）;轴([-90 90 -50 0]);子图（2,1,2）模式（replarray，fsteer，-180：180,0，'类型'那'powerdb'那......“PropagationSpeed”c'坐标系'那'长方形'那'重量'w,......'steerangle'，梯亮）;标题（'子阵列ula方位角切割，峰值缩放视图'）;轴（[25 35-5 0]）;

图中包含2个轴。带有标题的轴1子阵列Ula方位角切割包含3个类型的线。这些物体代表300兆赫，330兆赫，345兆赫。带有标题子阵列Ula方位角切割的轴2，峰缩放视图包含3个类型线的对象。这些物体代表300 MHz，330 MHz，345 MHz。

绘图表明，即使与之前的情况相比，虽然带宽较宽，但是已经抑制了斜视效果。然而，如在LFOV案例中，如果所需的带宽延伸到载波频率高于15％，则由于量化叶片，辐射模式变得不希望。

解决此问题的一种方法是使用具有非周期性子阵列的配置。这种配置的示例是隔行间隔子阵列，重叠的子阵列，甚至随机子阵列。下一个示例示出了隔行扫描子阵列，其中子阵列的端部被隔间和重叠。因为它不再由相同的子阵列形成，所以需要从大阵列孔径开始并将其分区以实现这种配置。

阵列的几何形状可以在下面的图中看到。

partarray =......阶段.PartitionedArray（“数组”，阶段，阶段（n，0.5，'元素'，天线），......'子阵列'那'阶段'）;Sel = Zeros（nsubarray，n）;nsec = n / nsubarray;为了m = 1：nsubarray如果m == 1 sel（m，（m-1）* nsec + 1：m * nsec + 1）= 1;eleesifm == nsubarray sel（m，（m-1）* nsec：m * nsec）= 1;别的SEL（m，（m-1）* nsec：m * nsec + 1）= 1;结尾结尾partarray.subarrayselection = sel.

partarray =分阶段。PartitionedArray: [1x1 phase .]SubarraySelection: [8x64 double] SubarraySteering: 'Phase' PhaseShifterFrequency: 300000000 NumPhaseShifterBits: 0

在下面的附图中可以看到所得到的辐射图案。

steeringvec_partarray =......分阶段。SteeringVector ('sensorarray'，partarray，“PropagationSpeed”c);wwa =挤压（steeringvec_partarray（fteer，steerang））;次要情节(2,1,1);模式（Partarray，Fsteer，-180：180,0，'类型'那'powerdb'那......“PropagationSpeed”c'坐标系'那'长方形'那'重量'，wwa，......'steerangle'，梯亮）;标题（'隔行扫描和重叠的子阵列Ula方位角切割'）;轴([-90 90 -50 0]);次要情节(2,1,2);模式（副本，FSERER，-180：180,0，'类型'那'powerdb'那......“PropagationSpeed”c'坐标系'那'长方形'那'重量'w,......'steerangle'，梯亮）;标题（'连续子阵列ula方位角切割'）;轴([-90 90 -50 0]);