САМОФАЗИРУЮЩАЯ АНТЕННАЯ РЕШЕТКА Российский патент 1997 года по МПК H01Q3/26 

Изобретение относится к антенной технике и может быть использовано в системах связи, в том числе для обеспечения устойчивой связи в сложной помеховой обстановке с мобильными корреспондирующими пунктами.

Самофазирующейся является такая антенная решетка, в которой каждый антенный элемент имеет независимую фазировку, определяемую информацией, содержащейся в сигнале, принятом этим антенным элементом /1/. При этом вся антенная решетка фазируется так, что на ее выходе обеспечивается получение максимальной мощности принимаемого полезного сигнала. Потенциально такая решетка способна за короткий промежуток времени настраиваться на источник сигнала, компенсировать временные задержки сигнала, вызванные изменением условий его распространения или положения элементов.

Известна /1/ самофазирующаяся приемная антенная решетка, содержащая последовательно соединенные n приемных элементов, n управляемых фазовращателей и n фазовых детекторов, к опорным входам которых подключен блок формирования опорного сигнала, а также формирователь суммарного сигнала, выход которого является выходом решетки. У каждого фазового детектора сигнальный выход подключен к соответствующему входу формирователя суммарного сигнала, а управляющий выход к управляющему входу последовательно соединенного с ним управляемого фазовращателя.

Недостатки антенной решетки обусловлены сложностью распределения опорных сигналов с когерентной фазой между разнесенными приемными элементами. Некогерентность фаз опорных сигналов, в зависимости от ее степени, может привести к значительным ошибкам фазирования элементов антенной решетки. Кроме того, входящий в состав решетки блок формирования опорного сигнала требует адаптации к частоте принимаемого излучения, что усложняет процесс самофазирования.

Известна также /2/ самофазирующаяся антенная решетка, содержащая последовательно соединенные n приемных элементов, n смесителей, к другим входам которых подключены управляемые фазовращатели, блок формирования суммарного и разностного сигналов и усилители промежуточной частоты суммарного и разностного каналов, а также три перемножителя с полосовыми фильтрами, блок выделения информации, контур автоподстройки по угловому положению приходящего сигнала, контур автоподстройки суммарного сигнала по задержке, контур автоподстройки частоты суммарного сигнала и генератор квадратурных опорных колебаний. При этом блок выделения информации выполнен в виде последовательно соединенных синхронного детектора, согласованного фильтра и декодера. Контур автоподстройки по угловому положению приходящего сигнала содержит первый фазовый детектор и формирователь управляющего кода, выходы которого соединены с управляющими входами фазовращателей. Контур автоподстройки суммарного сигнала по задержке включает второй фазовый детектор, генератор тактовых импульсов и функциональный генератор. Контур автоподстройки частоты суммарного сигнала содержит демодулятор, третий фазовый детектор и управляемый генератор, подключенный к входам фазовращателей. Выход генератора квадратурных опорных колебаний соединен с управляющими входами третьего фазового детектора и синхронного детектора.

Основной недостаток решетки обусловлен сложностью ее функциональной схемы, приводящей к высокой вероятности потери работоспособности при выходе из строя хотя бы одного из контуров управления. Наличие в решетке нескольких генераторов затрудняет синхронизацию работы всего устройства в целом. Наряду с этим необходимо априорное знание (точное или приближенное) частоты приходящего электромагнитного излучения, которой определяется режим работы генератора квадратурных опорных колебаний, что усложняет процесс самофазирования.

В качестве прототипа выбрана самофазирующаяся антенная решетка /3/, содержащая приемный канал, включающий ряд антенных элементов, формирователь суммарного сигнала, выход которого является выходом решетки, и включенные между соответствующими выходами антенных элементов и входами формирователя суммарного сигнала последовательно соединенные управляемые фазовращатели и делители мощности, а также канал управления, выполненный в виде последовательно соединенных блока фазового и амплитудного детектирования, аналого-цифрового преобразователя, специализированного процессора, управляющего процессора и контроллера фазового сдвига, выходы которого подключены к управляющим входам фазовращателей, при этом вторые выходы делителей мощности соединены с входами блока амплитудного и фазового детектирования.

В данном устройстве канал управления функционирует следующим образом. Сигналы с выходов антенных элементов получают определенные фазовые сдвиги, проходя через фазовращатели, а затем через делители мощности поступают на вход блока амплитудного и фазового детектирования. Затем аналого-цифровой преобразователь преобразует продетектированные сигналы в цифровую форму, после чего они поступают на вход специализированного процессора. Специализированный процессор вырабатывает шумовой цифровой сигнал, добавляя определенный сдвиг к фазе каждого входного сигнала. После этого он осуществляет расчет корректирующих значений установок фазы на основании фаз и амплитуд как входного, так и шумового сигналов таким образом, чтобы отношение сигнала к сумме нужной принимаемой волны и внутренних шумов было максимальным. Рассчитанные значения фазовых установок передаются в управляющий процессор, вырабатывающий управляющие коды для контроллера фазового сдвига, который обеспечивает установку необходимых фазовых сдвигов в фазовращателях.

Основной недостаток прототипа, присущий также и аналогам, обусловлен тем, что в нем фазировка элементов осуществляется на основе проводимых в канале управления измерений фаз принимаемых сигналов. Сложность аппаратурного обеспечения этих измерений с необходимой точностью влечет за собой снижение мощности принимаемого полезного сигнала вследствие несинфазного суммирования сигналов от отдельных элементов и, таким образом, ухудшение помехозащищенности антенной решетки.

Задачей изобретения является создание самофазирующейся антенной решетки с повышенной помехозащищенностью и упрощенной конструкцией.

В соответствии с поставленной задачей заявляемая самофазирующаяся антенная решетка, как и решетка-прототип, содержит канал управления и приемный канал, который включает ряд антенных элементов, формирователь суммарного сигнала, выход которого является выходом решетки, и включенные между выходом каждого антенного элемента и каждым отдельным входом формирователя суммарного сигнала последовательно соединенные управляемый фазовращатель и делитель мощности. Канал управления включает последовательно соединенные амплитудный детектор и аналого-цифровой преобразователь.

В отличие от прототипа решетка содержит дополнительно введенные дискретный фазовращатель, многовходовый коммутатор, сумматор и последовательно соединенные блок вычисления и управления и формирователь управляющего кода. При этом дискретный фазовращатель включен между отдельным выходом одного из делителей мощности и первым входом сумматора, многовходовый коммутатор включен между отдельными выходами остальных делителей мощности и вторым входом сумматора, выход которого соединен с входом амплитудного детектора, выход аналого-цифрового преобразователя подключен к входу блока вычисления и управления и отдельные выходы формирователя управляющего кода подключены к управляющим входам дискретного фазовращателя, многовходового коммутатора и управляемых фазовращателей.

Поскольку в канале управления заявляемой самофазирующейся антенной решетки отсутствует многофункциональное средство выработки преднамеренного шумового цифрового сигнала, то это обеспечивает упрощение конструкции решетки.

Существенно то, что в канале управления заявляемой решетки реализован процесс вычисления требуемых для управляемых фазовращателей фазовых сдвигов, исходя из измеренных амплитуд принимаемых сигналов. Поскольку амплитудные измерения более просты и более точны в сопоставлении с фазовыми измерениями, то это приводит, в конечном итоге, к более точной фазировке антенных элементов и, следовательно, повышает помехозащищенность антенной решетки за счет увеличения мощности принимаемого полезного сигнала.

На чертеже приведена структурная электрическая схема самофазирующейся антенной решетки.

Решетка содержит приемный канал, включающий ряд из N антенных элементов 1, к выходу каждого из которых подключены последовательно соединенные управляемый фазовращатель 2 и делитель 3 мощности. Выходы делителей 3 мощности соединены с отдельными входами формирователя 4 суммарного сигнала, выход которого является выходом антенной решетки.

Канал управления решетки включает дискретный фазовращатель (ДФ) 5, коммутатор 6 и последовательно соединенные сумматор 7, амплитудный детектор 8, аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 9, блок 10 вычисления и управления (БВУ) и формирователь 11 управляющего кода. Вход ДФ 5 соединен с отдельным выходом одного из делителей 3 мощности, отдельные выходы остальных делителей 3 мощности подключены к отдельным входам коммутатора 6, выходы ДФ 5 и коммутатора 6 к входам сумматора 7, а отдельные выходы формирователя 11 управляющего кода к управляющим входам управляемых фазовращателей 2, ДФ 5 и коммутатора 6.

Функции БВУ может выполнять, например, персональный компьютер типа IBM PC. Формирователь 11 управляющего кода может быть выполнен на основе набора токовых ключей. В частности, авторы использовали в качестве токовых ключей аналоговые интегральные микросхемы серии К170АП2 /4/.

В качестве АЦП 9 может быть использован любой из отечественных или зарубежных АЦП, аппаратно совместимых с компьютером типа IBM PC. В частности, авторами использовался выпускаемый серийно АЦП типа АЦП 12/2-80.

Каждый из управляемых фазовращателей 2 может быть выполнен, например, в виде набора из нескольких линий задержки /5/, число которых может быть конкретизировано, исходя из требований точности установки фазовых сдвигов, реализуемых этими фазовращателями. Так, в изготовленном и испытанном авторами макете четырехэлементной решетки это число составляло 9.

Коммутатор 6 может быть выполнен на печатной плате в полосковом исполнении /6/.

ДФ 5 должен обеспечивать, в зависимости от состояния, в котором он находится, получение проходящим через него сигналом трех значений фазовых сдвигов. Конструктивно наиболее просто выполнить ДФ 5 с фазовым сдвигами 0, π/2, π. Процедура расчета и построения таких дискретных фазовращателей описана, например, в /7/.

Формирователь 4 суммарного сигнала был полностью выполнен на основе конструктивного решения, описанного в /7/.

Сумматор 7 был полностью выполнен на основе конструктивного решения, описанного в /7/.

Работа самофазирующейся антенной решетки включает последовательное выполнение трех режимов: прием входной информации, вычисление текущих значений требуемых фазовых сдвигов для управляемых фазовращателей 2, выработка кода управления состоянием этих фазовращателей.

До начала приема входной информации на первом управляемом фазовращателе по команде из БВУ 10 с помощью формирователя 11 устанавливается постоянный фазовый сдвиг Φ₁.

В режиме приема входной информации по командам, поступающим из БВУ 10, формирователь 11 последовательно вырабатывает три кода e⁽¹⁾, e⁽²⁾, e⁽³⁾ управления ДФ 5 и коммутатором 6. Каждый код подается одновременно на управляющие входы ДФ 5 и коммутатора 6. При поступлении кода e⁽¹⁾ происходит подключение коммутатора 6 к выходу n-го делителя 3 мощности. При этом сигнал с комплексной амплитудой (n 2, N) поступает на вход сумматора 7. Здесь А_n амплитуда сигнала, Φ_n его фаза. Одновременно комплексный сигнал с выхода ДФ 5, находящегося в исходном состоянии, поступает на другой вход сумматора 7. В результате сложения сигналов сумматором 7 на его выходе создается сигнал с амплитудой:

Этот сигнал детектируется амплитудным детектором 8 и затем поступает на вход АЦП 9. АЦП 9 преобразует этот сигнал в цифровую форму, после чего значение сигнала считывается БВУ 10 и записывается в его оперативном запоминающем устройстве (ОЗУ).

При поступлении кода e⁽²⁾ ДФ 5 переходит в состояние, обеспечивающее получение сигналом E₁ дополнительного сдвига по фазе ΔΦ, т.е. на вход сумматора 7 поступает теперь сигнал . В то же время сохраняется подключение коммутатора 6 к выходу n-го делителя 3 мощности. В результате на выходе сумматора 7 формируется сигнал:

который детектируется амплитудным детектором 8 и затем преобразуется АЦП 9 в цифровую форму и записывается в ОЗУ БВУ 10.

При поступлении кода e⁽³⁾ ДФ 5 переходит в состояние, обеспечивающее получение сигналом E₁ дополнительного сдвига по фазе на 2ΔΦ. Подключение коммутатора 6 остается неизменным. В результате цифровое значение сигнала:

записывается в ОЗУ БВУ 10.

После осуществления полного цикла приема входной информации со всех антенных элементов в ОЗУ БВУ 10 накопятся три массива чиселU_1n}U_2n}U_3n}
В режиме вычисления текущих значений требуемых фазовых сдвигов для управляемых фазовращателей 2 БВУ 10 осуществляет последовательную выборку из ОЗУ трех чисел U_1n, U_2n, U_3n (n 2, N) и вычисление значений Φ_n- Φ₁ ∈ (-π, π] по формуле:

Требуемые значения фазовых сдвигов представляют собой взятую с обратным знаком разность Φ_n- Φ₁.

В режиме выработки управляющего кода по командам с БВУ 10 формирователь 11 вырабатывает управляющий код, при подаче которого на управляющие входы фазовращателей 2 последние переходят в состояние, обеспечивающее внесение фазовращателями фазовых сдвигов ΔΦ = -(Φ_n-Φ₁), n 2, N. При этом на входы формирователя 4 суммарного сигнала поступает N синфазных сигналов, что обеспечивает получение на выходе антенной решетки максимальной мощности принимаемого полезного сигнала и, следовательно, максимального отношения сигнал/шум. Изменение условий распространения излучения от источника и/или его пространственного положения вызовет нарушение синфазности сигналов на входах формирователя 4 суммарного сигнала и выработку в канале управления значений требуемых фазовых сдвигов для фазовращателей 2. Тем самым обеспечивается сохранение максимума отношения сигнал/шум на выходе антенной решетки.

По сравнению с прототипом заявляемая самофазирующаяся антенная решетка обладает:
1) лучшей помехозащищенностью;
2) более простой конструкцией.

Работоспособность самофазирующейся антенной решетки и отмеченные ее преимущества по сравнению с решеткой-прототипом были подтверждены испытаниями изготовленного в Сибирском физико-техническом институте четырехэлементного макета решетки.

Источники информации
1. Хансен Р.С. Сканирующие антенные системы СВЧ. Пер. с англ. /Под ред. Г.Т.Маркова и А.Ф.Чаплина. Т. 3. М. Сов. радио, 1971, с. 383-452.

2. Авторское свидетельство СССР N 780769, кл. H 01 Q 21/06, опубл. в БИ, 1986, N 28.

3. Заявка Японии N 63-208306, кл. H 01 Q 3/26, опубл. 29.08.1988 (прототип).

4. Горшков Б.И. Элементы радиоэлектронных устройств. Справочник. М. Радио и связь, 1988.

5. Антонов А. В. Герасимов Ю.М. Гридин А.А. Прохоров С.А. Быстродействующие дискретные управляемые ВЧ аттенюаторы и фазовращатели для адаптивной антенной решетки. В сб. Морская радиосвязь, 1985, с. 88-96.

6. Карпов В.М. Малышев В.А. Перевощиков И.В. Широкополосные устройства СВЧ на элементах с сосредоточенными параметрами. М. Радио и связь, 1984.

7. Брук Ю.М. Гордиенко Т.А. Ермаков В.Ю. Михайлов В.С. Содин Л.Г. Широкополосные элементы фазируемых антенн-решеток (препринт N 131). Харьков: ИРЭ АН УССР, 1979.

Использование: в системах связи, в том числе с мобильными корреспондирующими пунктами в сложной помеховой обстановке. Задача изобретения -создание самофазирующейся антенной решетки с повышенной помехозащищенностью и упрощенной конструкцией. Самофазирующаяся системная решетка содержит приемный канал, включающий ряд антенных элементов, формирователь суммарного сигнала и подключенные между выходами антенных элементов и входами формирователя управляемые фазовращатели и делители мощности. Канал управления решетки содержит подключенные к отдельным выходам делителей мощности дискретный фазовращатель и многовходовый коммутатор, выходы которых через сумматор подключены к цепи из последовательно соединенных амплитудного детектора, аналого-цифрового преобразователя, блока вычисления и управления и формирователя управляющего кода. Выходы формирователя управляющего кода соединены с управляющими входами дискретного фазовращателя, коммутатора и управляемых фазовращателей. 1 ил.

Самофазирующаяся антенная решетка, содержащая N антенных элементов, формирователь суммарного сигнала, выход которого является выходом решетки, включенные между выходом i-го антенного элемента и i-ым входом формирователя суммарного сигнала, последовательно соединенные управляемый фазовращатель и делитель мощности, а также последовательно соединенные амплитудный детектор и аналого-цифровой преобразователь, отличающаяся тем, что в нее дополнительно введены дискретный фазовращатель, многовходовый коммутатор, сумматор и последовательно соединенные блок вычисления и управления и формирователь управляющего кода, при этом вход дискретного фазовращателя подключен к второму выходу одного из делителей мощности, вторые выходы остальных делителей мощности подключены к входам многовходового коммутатора, выход дискретного фазовращателя подключен к первому входу сумматора, а выход многовходового коммутатора к второму входу сумматора, выход сумматора подключен к входу амплитудного детектора, выход аналого-цифрового преобразователя подключен к входу блока вычисления и управления, и выходы формирователя управляющего кода подключены к управляющим входам дискретного фазовращателя, многовходового коммутатора и управляемых фазовращателей.