АНТЕННАЯ РЕШЕТКА СРЕДСТВ РАДИОСВЯЗИ С УПРАВЛЯЕМОЙ ДИАГРАММОЙ НАПРАВЛЕННОСТИ Российский патент 1994 года по МПК H01Q3/26 

Изобретение относится к антенным системам средств радиосвязи с формированием провалов в диаграмме направленности (ДН) в направлениях на источники мешающих сигналов и в заданных направлениях. Этим достигается повышение защищенности радиосвязных средств от помех, улучшение обеспечения электромагнитной совместимости (ЭМС) с окружающими радиоэлектронными средствами (РЭС).

Известна антенная система, использующая алгоритм Уидроу-Хоффа [1] .

Недостатками этой антенной системы являются возможность использования только для приема сигналов; незащищенность от прерывающихся мешающих сигналов, способных нарушить процесс адаптации, существенное уменьшение возможностей средств, использующего ААР, по снижению влияния на окружающие РЭС.

Цель изобретения - повышение помехозащищенности радиосвязи от мешающих сигналов при снижении мешающего влияния его на окружающие радиоэлектронные средства.

На фиг. 1 представлена структурная схема антенной решетки; на фиг. 2 - структурная схема второго блока вычисления весовых коэффициентов в режиме неадаптивного управления ДН.

Антенная решетка содержит антенные элементы 1, первый 2 и второй 10 фазовращатели на - π /2, первый, второй, третий и четвертый перемножители 3, 4, 11 и 12, первый и второй сумматоры 5 и 13, первый и второй блоки вычисления весовых коэффициентов 6 и 20; блок суммирования 7, блок выделения опорного сигнала 8, блок вычитания 9, разделитель мощности 11, первый и второй переключатели режимов приема 15 и 16, первый и второй переключатели режимов передачи 17 и 18, блок управления 21.

Антенная решетка работает следующим образом.

В режиме адаптивного формирования нулей в ДН антенная система работает так же, как и аналог. При этом, если весовые коэффициенты используются лишь для формирования нулей в передающей ДН, то в первом блоке 6 (процессоре) вычисления весовых коэффициентов при адаптивном формировании ДН, предусматривается запоминание значений этих коэффициентов. Направление нулей в передающей ДН в этом случае будут совпадать с направлениями нулей в приемной ДН, что позволяет уменьшить влияние средства на окружающие РЭС и повысить его защищенность от непосредственной радиотехнической разведки, используемой в средствах создания преднамеренных помех.

В режиме неадаптивного формирования нулей в ДН выработка весовых коэффициентов осуществляется вторым блоком 20 (процессором) выработки весовых коэффициентов при использовании неадаптивного алгоритма.

Режимы адаптивного и неадаптивного формирования диаграммы направленности включаются в блока управления 21. При этом в зависимости от выбранного режима формирования диаграммы направленности при приеме и передаче сообщений к перемножителям квадратурных цепей каналов приема и передачи переключателями 15, 16 и 17, 18 подключаются выходы блока (процессоров) выработки весовых коэффициентов при использовании адаптивного 6 или неадаптивного 20 алгоритмов. Исходные данные о направлениях и уровнях формирования провалов в диаграмме направленности задаются во второй блок (процессор) выработки весовых коэффициентов при неадаптивном алгоритме 20 с блока управления 21. Управление антенным переключателем осуществляется также с блока управления 21.

Блок управления 21 представляет совокупность переключателей и аттенюаторов, с помощью которых подаются в различные блоки антенной решетки управляющие напряжения для включения режимов работы системы и задания направлений и уровней формирования провалов в ДН.

Наличие двух режимов работы антенной решетки (адаптивного и неадаптивного) дает возможность гибкого управления формированием ДН, сообразуясь с изменяющейся помеховой и радиоэлектронной обстановками, выбирая при этом различные сочетания формирования провалов в ДН при работе средства на прием и на передачу.

Возможны следующие сочетания:
при приеме используется адаптивный режим, при передаче - неадаптивный;
при приеме и передаче используется неадаптивный режим;
при приеме и передаче используется адаптивный режим (в этом случае при формировании передающей ДН используются весовые коэффициенты, определенные при формировании приемной ДН).

Для формирования весовых коэффициентов в неадаптивном режиме предлагается в втором блоке 20 использовать алгоритм, основанный на выполнении условия
min { C(k)} , i = ; l = (3)
W_il(t) где C(k)= (1/2){ [[D₁(θ_j; ϕ_j; k)-a_j] ²+[D₂(θ_j; ϕ_j; k)] ²] } ,
M ≅ N-1 - число возможных направлений прихода мешающих сигналов;
D₁( θ_j ; ϕ_j ; k) = W_i1(k) cos r_i (θ_j ; ϕ_j ) +
+ W_i2 (k) sin r_i (θ_j ; ϕ_j ); (4)
D₂( θ_j ; ϕ_j ; k) = W_i1 (k) sin r_i (θ_j ; ϕ_j ) -
- W_i2 (k) cos r_i θ_j ; ϕ_j );
D₁, D₂ - составляющие комплексной ДН;
ϕ_j ; θ_j - соответственно азимут и угол места j-го направления формирования провала в ДН;
a_j - уровень (глубина) провала в ДН;
r_i( θ_j ; ϕ_j ) = 2 π / λ (A_xisin θ_j cos ϕ_j + + A_yisin θ_j sin ϕ_i+ A_zicos θ_j) - фазовый сдвиг; λ - длина волны;
А_хi, A_yi, A_zi - декартовы координаты фазовых центров антенных элементов.

Для удовлетворения условия (3) целесообразно использовать рекуррентные соотношения вычисления весовых коэффициентов по методу наискорейшего спуска:
W_i1(k+1)= W_i1 (k) - ;
W_i2(k+1) = W_i2(k) - , (5) где Δ > 0 - постоянная, регулирующая скорость сходимости и устойчивости алгоритма.

После соответствующих преобразований и подстановок рекуррентные соотношения имеют вид
W(k+1)= W(k)-((D₁(θ_j, ϕ_j; k)-a_j)cos r_i(θ_j, ϕ_j)+
+D₂(θ_j; ϕ_j; k)sin r_i(θ_j, ϕ_j)
W(k+1)= W(k)-((D₁(θ_j, ϕ; k)-a_j)sin r_i(θ_j, ϕ_j)-
-D₂(θ_j; ϕ_j; k)cos r_i(θ_j, ϕ_j) (6)
Выражения (3)-(6) показывают, что формирование весовых коэффициентов и в конечном итоге провалов в ДН не зависит от наличия принимаемых сигналов и, следовательно, позволяет формировать провалы в ДН в заданных направлениях как при работе средства на прием, так и на передачу.

В соответствии с выражением (6) определена структура блока вычисления весовых коэффициентов для неадаптивного управления ДН, показанная на фиг. 2, где обозначено:
22 - устройство сравнения К < L-1
(L - число итераций, достаточное для формирования ДН);
23, 24, 28, 40 и 43 - сумматоры;
27, 31, 37, 38, 41, 42, 49, 51 и 52 - перемножители;
26 и 30 - устройства сравнения j < М;
25 и 29 - задержка вычислений на одно j-е направление (Z_j^-1);
32 - управляющее устройство, обеспечивающее увеличение j на единицу;
33 - устройство, обеспечивающее задание требуемых уровней ДН (a_j);
34 - устройство вычисления фазовых сдвигов r_i (θ_j ; ϕ_j).

39, 40 и 37 - вычитающие устройства;
36 - задержка на одну итерацию (Z_k^-1);
45 и 46 - сумматоры каналов блока вычисления весовых коэффициентов (БВК);
43 и 44 - вычислители соответственно синуса и косинуса от значений r_t(θ_j , ϕ_j).

Процесс вычисления весовых коэффициентов начинается с определения фазовых сдвигов r_i(θ_j , ϕ_j) в устройстве 34 и задание в устройстве 33 требуемых уровней ДН a_j в направлении, определяемом углами θ_j , ϕ_j. Оба эти устройства в принципе могут быть перенесены в блок управления 21 (см. фиг. 2). Затем с использованием W_i1(k), W_i2(k) вычисляются составляющие ДН и в точках А и В формируются величины
F_ij = (D₁(θ_j ; ϕ_j ; k) - a_j)cosr_i(θ_j ; ϕ_j ) +
+ D₂(θ_j ; ϕ_j ; k)sinr_i(θ_j ; ϕ_j);
F_2j = (D₂(θ_j ; ϕ_j ; k) - a_j)sinr_i(θ_j ; ϕ_j ) -
- D₂(θ_j ; ϕ_j ; k)cosr_i(θ_j ; ϕ_j ), (7) которые при выполнении условия j<М задерживаются на время, необходимое для вычисления F_1j+1 и D_2j+1 с помощью схем задержки Z_j^-1 и суммируются соответственно с F_1j+1 и F_2j+1. При выполнении условия j<М срабатывает управляющая схема, обеспечивающая увеличение j на единицу и переход к a_j+1 и r_i(θ_j+1; ϕ_j+1). После вычисле- ния F_1j ; F_2j находятся новые значения весовых коэффициентов
W_i1(k+1) = W_i1(k) - F_1j ;
W_i2(k+1) = W_i2(k) - F_2j .

По истечении L итераций, достаточных для того, чтобы сформировалась требуемая Дн антенной системы весовые коэффициенты W_i1(L) и W_i2(L) с первого и второго выходов подаются на соответствующие перемножители антенной решетки (см. фиг. 1).

На фиг. 3 приведены ДН антенной системы, полученные математическим моделированием для неадаптивного (а) и адаптивного (б) режимов работы предлагаемой антенны устройства. Моделировалась 11-элементная антенная система при неадаптивном формировании пяти провалов в ДН и адаптивном подавлении мешающих сигналов, приходящих с двух направлений.

Как показало моделирование, эффективность подавления мешающих сигналов при неадаптивном и адаптивном режимах примерно одинакова и составляет в среднем 40-50 дБ.

Таким образом, предложенная антенная система свободна от недостатков, присущих прототипу, поскольку благодаря применению неадаптивного режима в антенной системе появилась возможность применения ее не только в качестве приемной антенны, но и в качестве передающей со сформированными провалами в ДН в требуемых направлениях; при невозможности адаптивного подавления мешающих сигналов из-за их прерывистого характера, нарушающего процесс адаптации, перейти в неадаптивный режим с формированием провалов в ДН в тех направлениях, с которых приходят мешающие сигналы; формирования провалов в ДН при работе средства на передачу для снижения мешающего влияния на окружающие РЭС.

Для технической реализации системы целесообразно для адаптивного и неадаптивного управления ДН применять процессоры, позволяющие по сравнению с радиотехническими операционными элементами более эффективно решать задачи формирования провалов в ДН. Более того, поскольку включение адаптивного и неадаптивного режимов формирования ДН последовательное, то в принципе возможно использование только одного процессора, в котором определение весовых коэффициентов для адаптивного и неадаптивного управления ДН может быть реализовано в виде двух отдельных подпрограмм. (56) Адаптивные антенные решетки. - ТИИЭР. 1967, т. 55, N 12, с. 78-95, рис. 1-3.7 (прототип).

Использование: в антенных решетках средств радиосвязи с формированием провалов в диаграмме направленности (ДН) для повышения помехозащищенности системы. Сущность изобретения: решетка содержит антенные элементы 1, первый и второй фазовращатели на π/2 2 и 10, перемножители 3, 4, 11 и 12, первый и второй сумматоры 5 и 13, первый и второй блоки вычисления весовых коэффициентов 6 и 20, блок суммирования 7, блок выделения опорного сигнала 8, блок вычитания 9, разделитель мощности 14, первый и второй переключатели режимов приема 15 и 16, первый и второй переключатели режимов передачи 17 и 18, переключатель прием-передача 19, блок управления 21. 3 ил.

АНТЕННАЯ РЕШЕТКА СРЕДСТВ РАДИОСВЯЗИ С УПРАВЛЯЕМОЙ ДИАГРАММОЙ НАПРАВЛЕННОСТИ, содержащая N антенных элементов, последовательно соединенные блок суммирования, блок выделения опорного сигнала, блок вычитания, второй вход которого соединен с выходом блока суммирования, выход которого является выходом антенной решетки, N каналов приема, каждый из которых состоит из последовательно соединенных первого фазовращателя на - π / 2 , , первого перемножителя, и первого сумматора, второй вход которого соединен с выходом второго перемножителя, первый выход которого соединен с входом первого фазовращателя на - π / 2 и первым входом блока вычисления весовых коэффициентов, второй вход которого соединен с первым входом первого перемножителя, а третий вход - с выходом блока вычитания, при этом выход первого сумматора соединен с соответствующим входом блока суммирования, отличающаяся тем, что, с целью повышения помехозащищенности, введены блок управления и второй блок вычисления весовых коэффициентов, соответствующие входы которого соединены с соответствующими выходами блока управления, разделитель мощности, N каналов передачи, каждый из которых состоит из последовательно соединенных второго фазовращателя на - π / 2 , третьего перемножителя и второго сумматора, второй вход которого соединен с выходом четвертого перемножителя, первый вход которого соединен с входом второго фазовращателя на - π / 2 и соответствующим выходом разделителя мощности, вход которого является входом передачи антенной системы, а в каждый канал приема введены переключатель прием - передача, первый и второй переключатели режимов приема, первый и второй переключатели режимов передачи, первые входы которых соединены с соответствующими выходами второго блока вычисления весовых коэффициентов и первыми входами первого и второго переключателей режимов передачи соответственно, вторые входы которых соединены с соответствующими выходами первого блока вычисления весовых коэффициентов и вторыми входами первого и второго переключателей режимов работы, третьи входы которых объединены и соединены с соответствующим выходом блока управления, соответствующий выход которого соединен с объединенными третьими входами первого и второго переключателей режимов приема, выходы которых соединены с вторыми входами первого и второго перемножителей соответственно, а выходы первого и второго переключателей режимов передачи соединены соответственно с вторыми входами третьего и четвертого перемножителей, при этом выход второго сумматора соединен с первым входом переключателя прием - передача, первый и второй выходы которого соединены с антенным элементом и входом первого фазовращателя на - π / 2 соответственно, а второй вход - с соответствующим выходом блока управления.