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

1. 陣列方向圖綜合理論

對(duì)于均勻平面陣列而言，其陣因子公式可以寫(xiě)成

當(dāng)陣列是三角網(wǎng)格布置或者圓環(huán)陣時(shí)，《ANTENNA THEORY ANALYSIS AND DESIGN》等相關(guān)教程也是有公式可參考的。不過(guò)對(duì)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(guò)已知的每個(gè)單元的位置、激勵(lì)幅度和相位、對(duì)

進(jìn)行累加來(lái)綜合陣因子(點(diǎn)源模型)。

對(duì)于上述情況，就需要借助編程工具進(jìn)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(kāi)始新增支持的Sensor Array Analyzer (MATLAB 傳感器陣列分析器)，這個(gè)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(hào)處理、通信、雷達(dá)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(jì)和仿真。功能范圍從 1-D 到 3-D 天線、聲納換能器和麥克風(fēng)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(huì)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(duì)于天線陣列設(shè)計(jì)而言，我們可以通過(guò)遵從下面步驟來(lái)實(shí)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(diǎn)擊3D Pattern/2D Pattern按鈕來(lái)查看天線方向圖。

下面以一個(gè)URA為例進(jìn)行簡(jiǎn)單的使用示范：

①Size：輸入一個(gè)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(lì)；

⑥Custom Taper：當(dāng)⑤中選擇Custom類型時(shí)，可自定義各單元的激勵(lì)系數(shù)。如果陣列的Size是4×4，則可輸入一個(gè)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(jiǎn)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(lái)調(diào)用！

3. 代碼封裝設(shè)計(jì)

通過(guò)Export按鈕可以Generate Matlab script，通過(guò)觀察代碼來(lái)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(lái)方便使用。

這里給大家一個(gè)封裝的MATLAB Demo  

function radiation=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.';

% Create a uniform rectangular array

Array = phased.URA('Size',ArrSize,...

'Lattice','Rectangular','ArrayNormal','z');

% The multiplication factor for lambda units to meter conversion Array.ElementSpacing = Spacing;

Array.Taper = Taper;

% Create an isotropic antenna element

Elem = phased.IsotropicAntennaElement;

Elem.FrequencyRange = [0 300000000];

Array.Element = Elem;

% Assign Frequencies and Propagation Speed Frequency = 300000000;

PropagationSpeed = 300000000;

% Plot Array Geometry

figure;

viewArray(Array,'ShowNormal',false,...

'ShowTaper',false,'ShowIndex','None',...

'ShowLocalCoordinates',true,'ShowAnnotation',false,...

'Orientation',[45;45;45]);

% Calculate Steering Weights

Freq3D = 300000000;

% Find the weights

w = ones(getNumElements(Array), length(Frequency));

% Plot 3d graph

plotType = 'Directivity';

radiation=pattern(Array, Freq3D , 'PropagationSpeed', PropagationSpeed,...

'weights', w(:,1),...

'ShowArray',false,'ShowLocalCoordinates',true,...

'Type', plotType);

end

簡(jiǎn)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(jìn)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(jìn)行Arbitrary設(shè)置，我們只需要傳入單元的坐標(biāo)位置和單元的法向角度 (對(duì)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。