此示例说明如何创建具有自定义天线辐射方向图的天线阵列，以及如何分析阵列的响应方向图。这样的模式可以从测量或模拟中获得。导入辐射方向图

根据应用的不同，实际的相控天线阵列有时会使用专门设计的天线元件，其辐射方向图无法用闭式方程表示。即使元件方向图很容易理解，就像偶极子天线一样，当元件被放入阵列中时，元件之间的相互耦合也会显著改变各个元件的图形。这使得封闭式模式的精度降低。因此，对于高保真方向图分析，您通常需要使用从测量或仿真中获得的自定义辐射方向图。

用于指定辐射方向图的坐标系没有标准约定，因此一个仿真包的结果通常不能直接用于另一个软件包。例如，在相控阵系统工具箱™ （PST） 中，辐射方向图使用方位角 （az） 和仰角 （el） 表示，如图 1 所示。假设天线的主波束指向azimuth 和Elevation，即 x 轴。az 的值介于和而 el 的值介于和.请参阅 球面坐标 。

图 1：Phased Array System Toolbox 中使用的球面坐标系约定。

HFSS™ 是一种常用的用于模拟天线辐射方向图的全波建模工具。在此工具中，对单个单元进行建模，就好像它们是无限数组的一部分一样。模拟的辐射方向图表示为 M×3 矩阵，其中第一列表示方位角

，则第二列表示仰角

，第三列表示以 dB 为单位的辐射方向图。坐标系和

和

HFSS 中使用的 HFSS 如图 2 所示。在这种约定中，天线的主波束沿 z 轴指向，该轴通常指向垂直方向。的值

介于

和

和

介于

和

.

图 2：HFSS 中使用的球面坐标系约定。

请注意，HFSS 坐标系与

Phased Array System Toolbox™ 中使用的坐标系。在 HFSS 中，光束主瓣沿 z 轴指向，与光束正交的平面由 x 轴和 y 轴形成。导入自定义模式的一种可能方法

没有任何坐标轴旋转的约定如下所示。

例如，心形天线方向图在

 - 

约定，并保存在文件中。帮助程序函数读取文件并将其内容重新格式化为二维矩阵.csvhelperPatternImport.csv

和

.

获取

[pattern_phitheta,phi,theta] = helperPatternImport;

phi-theta 模式现在可用于形成自定义天线元件。假设此天线的工作频率在 1 到 1.25 GHz 之间。

获取

freqVector = [1 1.25].*1e9; % Frequency range for element patternantenna = phased.CustomAntennaElement('FrequencyVector',freqVector, ... 'PatternCoordinateSystem','phi-theta',... 'PhiAngles',phi,... 'ThetaAngles',theta,... 'MagnitudePattern',pattern_phitheta,... 'PhasePattern',zeros(size(pattern_phitheta)));

要验证方向图是否已正确导入，请绘制自定义天线单元的响应。请注意，主光束指向

azimuth 和

elevation 时，主光束沿 z 轴的自定义图案将被导入，而不进行任何旋转。

获取

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

构建天线阵列

考虑一个 100 个元件的天线阵列，其元件位于 10 x 10 的矩形网格上，如图 3 所示。为了确保不出现栅瓣，在最高工作频率下，元件的间距为一半波长。可以使用以下命令创建此矩形数组。

图 3：一个 10 x 10 的 URA。

获取

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

生成的天线阵列的总辐射方向图在 u-v 空间中绘制如下。该模式是单元模式和数组因子的组合。

获取

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

人们还可以轻松检查图案的 U 形切割，如下所示。

获取

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

在方位角中操纵光束

本节说明了 phase steering 数组的概念。相控阵相对于单个天线元件的一个优势是，主波束可以通过电子方式转向给定的方向。通过调整分配给每个元素的权重来完成转向。权重集也称为转向向量。每个权重都是一个复数，其幅度控制阵列的旁瓣特性，其相位控制波束。

该示例从

azimuth 设置为

方位角，仰角固定为

在扫描期间。

获取

helperPatternScan(array)

获取

clear helperPatternScan

总结

此示例说明如何使用自定义天线方向图构建和分析天线阵列。可以使用全波建模仿真软件生成该模式，其中

 - 

公约。然后，可以使用该方向图来形成自定义天线元件。生成的数组是从

自

在方位角方向上说明相位控制概念。