СПОСОБ ФОРМИРОВАНИЯ НУЛЯ ДИАГРАММЫ НАПРАВЛЕННОСТИ ФАЗИРОВАННОЙ АНТЕННОЙ РЕШЕТКИ Российский патент 1998 года по МПК H01Q3/26 

Изобретение относится к антенной технике и может быть использовано для решения задачи повышения помехозащищенности систем связи с фазированными антенными решетками (ФАР) при воздействии помех.

Известен способ быстрого подавления лепестков в диаграмме направленности (ДН) равноамплитудной антенной решетки с помощью дополнительных внешних элементов [1] , который основан на предварительной оценке уровня ДН ФАР в направлении максимума подавляемого бокового лепестка, определении амплитудного коэффициента для дополнительных элементов и формировании компенсирующей ДН. Недостатками этого способа являются необходимость управления амплитудными коэффициентами при подавлении боковых лепестков, что неприемлемо для ФАР, содержащих фазовращатели, а также недостаточный уровень подавления боковых лепестков для фильтрации мощных помех.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому способу является способ формирования нуля ДН ФАР [2], который основан на выделении в исходной N-элементной ФАР двух расположенных симметрично относительно центра исходной ФАР адаптивных подрешеток из M элементов каждая (N>2M), формировании в адаптивных подрешетках линейного фазового распределения с центральной симметрией, изменении крутизны фазового фронта в адаптивных подрешетках до получения приемлемого значения критерия эффективности (например, отношение сигнал/помеха + шум). Известный способ является итерационным, при этом количество итераций и качество подавления помехи зависят от дискрета изменения фазы в адаптивных элементах. Уменьшение величины приращения фазы в адаптивных элементах существенно увеличивает время формирования нуля в ДН - это основной недостаток известного способа, к тому же рассматриваемый способ является приближенным, т.к. в решении не учитывается изменение амплитудных коэффициентов в элементах ФАР при суммировании исходного и дополнительных амплитудно-фазовых распределений.

Предлагаемый способ направлен на устранение данных недостатков. Структурная схема устройства, функционирующего по предлагаемому способу, представлена на фиг. 1. Фиг. 2 поясняет механизм формирования нуля в исходной ДН. На фиг. 3 представлена синтезированная ДН с нулем в направлении помехи.

Рассмотрим существо предлагаемого способа. На первом этапе синтеза, как и в [1], производят оценку уровня исходной ненормированной ДН N-элементной ФАР в направлении на помеху f(Θ_п), где Θ_п - направление помехи, далее, из условия 2M ≥ f(Θ_п), определяют необходимое количество M пар элементов для формирования нуля в этом направлении. Эти элементы составляют две адаптивные подрешетки из M элементов каждая, но в отличие от прототипа расположение подрешеток фиксировано. Адаптивные подрешетки размещают на краях исходной ФАР симметрично относительно ее центра, после чего с помощью выражения (6) аналитически определяют фазовые поправки ΔΨ_m, вносимые в m-ю пару адаптивных элементов, где m = 1, 2, ... M (m = 1 соответствует крайней от центра ФАР паре элементов). Выбранные таким образом фазовые поправки ΔΨ_m, суммируясь с исходным фазовым распределением в элементах адаптивных подрешеток, обеспечивают формирование компенсирующей ДН с уровнем в направлении помехи, равным уровню в этом направлении ФАР из (N-2M) элементов, но с противоположным знаком.

Приведенный сравнительный анализ заявленного способа и прототипа показывает - заявленный способ отличается тем, что изменен режим операции определения фазовых поправок для адаптивных элементов ФАР, которые обеспечивают формирование нуля ДН: фазовые поправки для M пар адаптивных элементов выбирают в соответствии с выражением (6) адаптически.

Рассмотрим возможность осуществления заявленного способа на примере одной помехи.

Ненормированная ДН АР может быть описана следующим выражением:

В направлении на помеху Θ_п уровень ДН имеет значение:

Для формирования компенсирующей ДН выделим в исходной АР две М-элементные адаптивные подрешетки. Тогда синтезированная ДН f_c(Θ), с учетом вносимых фазовых поправок ΔΨ_m, примет вид:
f_c(Θ) = f_o(Θ) + f_k(Θ), (3)
Здесь и далее приняты обозначения:

где
λ, x₀ - длина волны и шаг решетки;
Θ - угол, отсчитываемый от нормали к раскрыву;
Θ_o, Θ_п - - направление главного максимума и помехи соответственно,

где

- ДН ФАР без компенсирующих (2M) элементов,

- компенсирующая ДН
Из условия
f_c(Θ_п) = f_o(Θ_п)+f_k(Θ_п) = 0, (6)
полагая аргументы всех косинусов в (5) равными, получим значение фазовой поправки ΔΨ_m для m-й пары адаптивных элементов:

Знак минус в (7) соответствует элементам левой подрешетки, а плюс - правой.

Здесь приняты обозначения:

Работа устройства, функционирующего по предложенному способу, может быть проиллюстрирована с помощью фиг. 1.

В ФАР, состоящей из N элементов 1 (N=2L+1) и такого же количества фазовращателей 2, исходное фазовое распределение является линейным со сдвигом фаз, соответствующим пространственному запаздыванию волн, падающих с направлений θ₀.
Спецвычислитель 3 по исходным данным (Θ_п, Θ_o) определяет значение ДН в направлении помехи f(Θ_п), далее, из условия 2M ≥ f(Θ_п), определяют количество элементов в адаптивных подрешетках, после чего находят фазовые поправки ΔΨ_m для каждой из M пар компенсирующих элементов и суммируют их с исходным фазовым распределением соответствующего элемента, по результатам суммирования устройство 3 выдает сигналы, управляющие фазовращателями. Сумматор 4 суммирует сигналы от всех элементов ФАР. Результатом суммирования на выходе 5 является синтезированная ДН с нулем в направлении помехи Θ_п. .

Поскольку фазовые поправки для элементов адаптивных подрешеток находятся из выражения (7) при условии (6), то в направлении Θ_п уровень ДН будет равен нулю.

Моделирование по материалам предложенного способа проведено на примере 19-элементной ФАР с шагом решетки 0,5λ. Направление главного максимума Θ_o = -20^o, а направление помехи Θ_п = -1.6^o, что соответствует направлению второго бокового лепестка исходной ДН (см. фиг. 2). Для выбранного примера M=1. На фиг. 2 сплошной линией обозначена ДН f_o(Θ) (N-2M)-элементной ФАР, а штриховой - компенсирующая ДН f_k(Θ). Направление помехи Θ_п обозначена вертикальной пунктирной линией. Из фиг. 2 видно, что значение f_k(Θ_п) равно значению f_o(Θ_п), но противоположно по знаку. На фиг. 3 представлена синтезированная ДН f_c(Θ) с нулем в направлении Θ_п. Результаты моделирования подтвердили преимущество заявленного способа по отношению к прототипу: в ДН ФАР сформирован нуль с уровнем не хуже - 300 dB, к тому же фазовые поправки в адаптивных элементах определяют аналитически с помощью простых выражений, не требующих больших временных затрат, что позволит использовать заявленный способ для подавления помех в реальном масштабе времени. Количество элементов 2M выбирают минимально необходимым для формирования нуля ДН, что также позволяет сократить время адаптации реальных систем к мощным помехам.

Источники информации
1. T. El-Azhary, M.S. Afifi, P.S.Excell. Fast Cancellation of Sidelobes in the Pattern of a Uniformly Excited Array Using Extermal Elements. "IEEE Trans. On Antennas and Propagat", 1990, 38, N 12, 1962-1965.

2. Колосов Л. В., Куликов В.В. Способ формирования нуля диаграммы направленности фазированной антенной решетки. / Радиотехника. 1992, N 3, с. 54-59.

Изобретение относится к антенной технике и может быть использовано для решения задачи повышения помехоустойчивости систем связи с фазированными антенными решетками (ФАР). Способ формирования нуля диаграммы направленности (ДН) ФАР основан на оценке уровня исходной ненормированной ДН N-элементной ФАР в направлении помехи f(θ_п), выделении, с учетом условия 2M≥f(θ_п), двух адаптивных M-элементных подрешеток, расположенных на краях исходной, и введении фазовых поправок в элементы адаптивных подрешеток. Фазовые поправки Δψ_m для m-й от края пары излучателей (m = 1,2...М) выбирают в соответствии с соотношением

где λ, x₀ - длина волны и шаг решетки; θ - угол, отсчитываемый от нормали к раскрыву; θ₀,θ_п - направление главного максимума и помехи соответственно. Знак минус в соотношении соответствует элементам левой адаптивной подрешетки, а знак плюс - правой. Технический результат заключается в уменьшении времени формирования нуля диаграммы направленности. 3 ил.

Способ формирования нуля диаграммы направленности фазированной антенной решетки (ФАР), основанный на оценке уровня ненормированной исходной диаграммы направленности N-элементной ФАР в направлении помехи f(θ_п), выделении двух адаптивных М-элементных подрешеток, расположенных на краях исходной, с учетом условия 2M ≥ f(θ_п), и введении фазовых поправок в элементы адаптивных подрешеток, отличающийся тем, что фазовые поправки Δψ_m для m-й от края пары излучателей (m = 1,2 ... M) выбирают в соответствии с соотношением

где
λ, x₀ - длина волны и шаг решетки;
θ - угол, отсчитываемый от нормали к раскрыву;
θ_o,θ_п- направление главного максимума и помехи соответственно,
причем знак минус в соотношении (I) соответствует элементам левой адаптивной подрешетки, а знак плюс - правой.