學(xué)個Antenna是以天線仿真和調(diào)試為主，理論原理為輔的干貨天線技術(shù)專欄，包括天線入門知識以及各類天線的原理簡介、仿真軟件建模、設(shè)計、調(diào)試過程及思路。

摘要：本次推文將介紹如何利用MATLAB的Sensor Array Analyzer進行天線陣列的方向圖綜合。

1. 陣列方向圖綜合理論

對于均勻平面陣列而言，其陣因子公式可以寫成

當陣列是三角網(wǎng)格布置或者圓環(huán)陣時，《ANTENNA THEORY ANALYSIS AND DESIGN》等相關(guān)教程也是有公式可參考的。不過對于任意孔徑下排布，我們就需要回歸到最通用的方向圖綜合公式。即通過已知的每個單元的位置、激勵幅度和相位、對進行累加來綜合陣因子(點源模型)。

對于上述情況，就需要借助編程工具進行方向圖綜合的可視化，例如工科生們最常用的MATLAB或者Python。

2. Sensor Array Analyzer

MATLAB 2014b中開始新增支持的Sensor Array Analyzer (MATLAB 傳感器陣列分析器)，這個工具箱提供用于分析和處理傳感器陣列數(shù)據(jù)的綜合工具和功能，適用于信號處理、通信、雷達和聲納等領(lǐng)域使用傳感器陣列的研究人員和工程師。該工具箱還提供用于顯示和分析陣列數(shù)據(jù)的可視化工具并支持傳感器陣列的設(shè)計和仿真。功能范圍從 1-D 到 3-D 天線、聲納換能器和麥克風陣列等，并且可以包含子陣列。指定陣列和傳感器參數(shù)后，應(yīng)用程序會顯示基本性能特征，例如陣列方向性和陣列尺寸。

支持的陣列類型如下所示：

對于天線陣列設(shè)計而言，我們可以通過遵從下面步驟來實現(xiàn)搭積木式的陣列方向圖綜合：選擇陣列類型配置單元數(shù)/單元間隔/陣列法向方向/陣列的錐削/工作頻段等。然后就可以點擊3D Pattern/2D Pattern按鈕來查看天線方向圖。

下面以一個URA為例進行簡單的使用示范：

①Size：輸入一個一行2列的向量，例如[4,4];

②Element Spacing：輸入單元間距，支持2種格式，例如[10,12](單位m)，或者[0.5,0.6](單位λ)；

③Lattice：支持Rectangular(矩形網(wǎng)格布陣)和Triangular(三角網(wǎng)格布陣)；

④Array Normal：陣列的法向，例如x，y，z；

⑤Taper：支持Custom自定義類型和行、列分別類型的幅度錐削激勵；

⑥Custom Taper：當⑤中選擇Custom類型時，可自定義各單元的激勵系數(shù)。如果陣列的Size是4×4，則可輸入一個4×4的矩陣（可以是復(fù)數(shù)形式）。

以上向量或者矩陣均可以從workspace里載入

綜合的方向圖結(jié)果如下所示：

除了簡單的陣列綜合外，還有子陣綜合，單元方向圖選取以及波束掃描等功能，大家可以根據(jù)自己的需求來調(diào)用！

3. 代碼封裝設(shè)計

通過Export按鈕可以Generate Matlab script，通過觀察代碼來學(xué)習(xí)如何將上面的UI操作轉(zhuǎn)換為代碼的，從而將其封裝起來方便使用。

這里給大家一個封裝的MATLAB Demo

functionradiation=Cal_RecArray(ArrSize,Spacing,Taper)
%ArrSize=[8,8];Spacing=[0.5,0.5];Taper=1;
%w=taylorwin(16,8,-20);w=w/max(w);Taper=w*w.';
%Createauniformrectangulararray
Array=phased.URA('Size',ArrSize,...
'Lattice','Rectangular','ArrayNormal','z');
%Themultiplicationfactorforlambdaunitstometerconversion
Array.ElementSpacing=Spacing;
Array.Taper=Taper;

%Createanisotropicantennaelement
Elem=phased.IsotropicAntennaElement;
Elem.FrequencyRange=[0300000000];
Array.Element=Elem;

%AssignFrequenciesandPropagationSpeed
Frequency=300000000;
PropagationSpeed=300000000;

%PlotArrayGeometry
figure;
viewArray(Array,'ShowNormal',false,...
'ShowTaper',false,'ShowIndex','None',...
'ShowLocalCoordinates',true,'ShowAnnotation',false,...
'Orientation',[45;45;45]);

%CalculateSteeringWeights

Freq3D=300000000;
%Findtheweights
w=ones(getNumElements(Array),length(Frequency));

%Plot3dgraph
plotType='Directivity';
radiation=pattern(Array,Freq3D,'PropagationSpeed',PropagationSpeed,...
'weights',w(:,1),...
'ShowArray',false,'ShowLocalCoordinates',true,...
'Type',plotType);
end

簡單的調(diào)用下即可得到3D方向圖數(shù)據(jù)：

w=taylorwin(10,8,-20);w=w/max(w);Taper=w*w.';
pattern=Cal_RecArray([10,10],[0.5,0.5],Taper);

4. 進階功能

除了常規(guī)的1D線陣，矩形、圓形等陣列結(jié)構(gòu)外，還可以進行Arbitrary設(shè)置，我們只需要傳入單元的坐標位置和單元的法向角度 (對于平面陣列而言，所有單元的法向角度相同)，以及單元的幅度錐削即可。

該工具箱內(nèi)置的子陣分析和自定義單元方向圖功能使得復(fù)雜的陣列綜合更加便利化。

審核編輯：湯梓紅