СПОСОБ ПЕЛЕНГОВАНИЯ ИСТОЧНИКОВ ИЗЛУЧЕНИЙ АНТЕННОЙ РЕШЕТКОЙ СИСТЕМЫ ПЕРЕДАЧИ ИНФОРМАЦИИ Российский патент 2000 года по МПК G01S3/74 

Изобретение относится к антенной технике и может бить использовано для создания многофункциональных антенн, способных в процессе приема информации определять направления на источники мешающих электромагнитных излучений.

В условиях радиоэлектронной борьбы помехоустойчивость систем передачи информации (командных радиолиний, систем спутниковой связи и т.п.) может надежно обеспечиваться лишь при полном использовании свойств антенны как пространственного фильтра.

Одним из основных способов подавления помех антенными решетками является формирование нулей в направлениях на источники помех с использованием методов синтеза или энергетической оптимизации [1], предполагающих наличие информации о распределении помех в пространстве.

Для определения направлений на источники помех (т.е. для их пеленгования) могут использоваться станции засечки помех, что не всегда приемлемо. Вполне естественно попытаться использовать для этих целей антенную решетку, входящую в состав системы передачи информации, применив тот или иной способ амплитудного пеленгования помех.

Известные способы [2] амплитудного пеленгования источников электромагнитных излучений антенной решеткой (метод максимума, метод конического сканирования и др.) основаны на установке фаз сигналов в каналах излучателей в состояния, обеспечивающие формирование плоского фронта, перпендикулярного заданному направлению луча, изменении заданного направления луча по определенному закону, измерении амплитуды продетектированного сигнала и оценке пеленга источника излучения путем сопоставления амплитуды продетектироваиного сигнала с текущим направлением луча.

Недостатком известных способов является невозможность пеленгования помех без прекращения приема информации.

Предлагаемый способ свободен от данного недостатка. Поскольку речь идет о помехах, действующих по боковым лепесткам диаграммы направленности, то очевидно, их уровень существенно больше уровня сигнала, в связи с чем для их пеленгования достаточно использовать небольшую часть излучателей антенной решетки.

Структурная схема антенной решетки (АР), функционирующей по предлагаемому способу, представлена на фиг. 1. На фиг. 2 и 3 изображены соответственно законы нарастающей линейной и квазилинейной (ступенчатой) модуляции фазы в канале m-го излучателя столбца.

Сущность предлагаемого способа заключается в следующем. При отсутствии помех фазы во всех каналах излучателей устанавливают в состояния, обеспечивающие формирование плоского фронта, перпендикулярного направлению на полезный сигнал, определяемому направляющими косинусами cosθ_xo,cosθ_yo. При необходимости пеленгования источников излучений (помех) из состава решетки выделяют один столбец и одну строку, образующие подобие креста Миллса [3]. Фазу сигналов в каналах излучателей, образующих упомянутые столбец и строку, как и в прототипе, устанавливают в состояния, обеспечивающие формирование плоского фронта, перпендикулярного заданному направлению луча, определяемому направляющими косинусами cosθ_x,cosθ_y, изменяют заданное направление луча по определенному закону, измеряют амплитуду продетектированного сигнала и оценивают пеленг источника излучения путем сопоставления амплитуды продетектированного сигнала с текущим направлением луча.

Однако в отличие от прототипа фазу сигналов, принимаемых элементами одного из столбцов решетки, модулируют во времени по нарастающему (убывающему) линейному (квазилинейному) закону с периодом Т и с линейно изменяющейся на величину ΔT_x от излучателя к излучателю задержкой; фазу сигналов, принимаемых элементами одной из строк решетки, аналогично модулируют по убывающему (нарастающему) линейному закону с тем же периодом и с задержкой ΔT_y от излучателя к излучателю, а при детектировании принятых сигналов выделяют составляющую с круговой частотой 2Ω, где Ω = 2π/T, причем частоту модуляции 1/Т выбирают большей ширины спектра полезного сигнала, а направляющие косинусы относительно осей X и Y направления на источник излучения находят из соотношений


где x₀, y₀ - шаг решетки вдоль осей X и Y;
λ - длина волны.

Проведенный сравнительный анализ заявленного способа и прототипа показывает, что заявленный способ отличается следующим:
- наличием дополнительной операции ("фазу сигналов, принимаемых элементами одного из столбцов решетки, модулируют во времени по нарастающему (убывающему) линейному (квазилинейному) закону с периодом T и с линейно изменяющейся на величину ΔT_x от излучателя к излучателю задержкой; фазу сигналов, принимаемых элементами одной из строк решетки, аналогично модулируют по убывающему (нарастающему) линейному закону с тем же периодом и с задержкой ΔT_y от излучателя к излучателю, причем частоту модуляции 1/T выбирают большей ширины спектра полезного сигнала, а направляющие косинусы относительно осей X и Y направления на источник излучения находят из соотношений (1) и (2)");
- изменением режима выполнения операции детектирования ("при детектировании принятых сигналов выделяют составляющую с круговой частотой 2Ω, где Ω = 2π/T≫).

Введение дополнительной операции, связанной с модуляцией по линейным законам фазы сигналов, принимаемых элементами одного столбца и одной строки, и изменение режима выполнения операции детектирования дают возможность относительно просто, без изменения радиотракта, селектировать сигнал источника излучения, попадающий в пересечение лучей двух линейных антенн, образуемых элементами столбца и строки.

Рассмотрим предлагаемый способ на примере устройства, структурная схема которого представлена на фиг. 1.

На схеме изображена антенная решетка с прямоугольной сеткой расположения излучателей, содержащая N столбцов и N строк излучателей. Фазой сигналов, принятых излучателями 1, управляют с помощью фазовращателей 2 по командам устройства управления 3. С выходов фазовращателей сигналы поступают на высокочастотный сумматор 4.

Режим работы устройства управления задает центральная ЭВМ системы 5. Если нет необходимости пеленговать помехи, то ЭВМ 5 выдает на устройство управления 3 лишь информацию о направляющих косинусах углов, образуемых направлением на источник полезного сигнала с осями X и Y. При этом фазы всех излучателей образуют плоский фронт, перпендикулярный направлению на источник полезного сигнала. При переходе в режим пеленгования помех ЭВМ 5 выдает на устройство управления 3 также информацию о величине задержек ΔT_x ΔT_y. В этом режиме устройство управления 3 осуществляет модуляцию фазы сигналов, принятых излучателями, например, первого столбца (1₂₁, ... , 1_N1) и первой строки (1₁₂, ... , 1_N1). Остальные элементы (1₂₂,..., 1_2N, ..., 1_N2, ..., 1_NN), а также элемент, общий для первого столбца и первой строки (1₁₁), фазируются по-прежнему.

Рассмотрим, какие преобразования испытывает сигнал частоты ω, принимаемый элементом столбца 1_m1, в результате модуляции фазы по нарастающему линейному закону с периодом T и сдвигом относительно начального момента времени ΔT_m (фиг. 2):

Поскольку обобщенная фаза сигнала Ψ+0

(t) может быть представлена в этом случае в виде
Ψ+0(t) = ωt+Ψ⁺(t) = (ω+Ω)t+ΔΨ_m,
где
то очевидно, что частота сигнала увеличивается на Ω, а фаза ΔΨ_m растет пропорционально величине ΔT_m.
Обобщенная фаза того же сигнала, принимаемого элементом строки 1_1n, в результате модуляции фазы по убывающему линейному закону с периодом T и сдвигом относительно начального момента времени ΔT_n:

преобразовывается к виду
Ψ-0(t) = ωt+Ψ^-(t) = (ω-Ω)t+ΔΨ_n,
где
Очевидно, в этом случае частота сигнала уменьшается на Ω, а фаза ΔΨ_n убывает пропорционально величине ΔT_n.

Поскольку во всех элементах столбца период модуляции фазы одинаков, а сдвиг
ΔT_m= m•ΔT_x,
то элементы столбца сформируют диаграмму направленности на частоте (ω+Ω), ориентация максимума которой может быть найдена из условия

откуда следует выражение (1).

Это означает, что на выходе высокочастотного сумматора 4 принятый элементами столбца сигнал частоты (ω+Ω) будет присутствовать, если угловое положение источника удовлетворяет условию (1).

Аналогично элементы строки в случае
ΔT_n= n•ΔT_y
сформируют диаграмму направленности на частоте (ω-Ω), ориентация максимума которой определяется выражением (2). Следовательно, на выходе высокочастотного сумматора 4 принятый элементами строки сигнал частоты (ω-Ω) будет присутствовать, если угловое положение источника удовлетворяет условию (2).

Таким образом, на выходе высокочастотного сумматора 4 помимо полезного сигнала, принимаемого основной частью решетки, могут присутствовать помеховые сигналы:
e₁(t) = E₁•cos(ω+Ω)t,
e₂(t) = E₂•cos(ω-Ω)t.
Полезный сигнал с основного выхода радиотракта приемника 6 поступает на линейный детектор 7, с выхода 8 которого снимается принимаемая информация.

Кроме того, весь набор сигналов, включая e₁(t) и e₂(t), после усиления и преобразования в радиотракте 6 приемника поступает на квадратичный детектор 9, где наряду с другими составляющими тока образуется составляющая, пропорциональная произведению

Таким образом, селектируя составляющую получим на выходе 10 детектора 9 сигнал частоты 2Ω, амплитуда которого пропорциональна произведению амплитуд помеховых сигналов, принятых столбцом излучателей 1_m1 и строкой излучателей 1_1n.

Очевидно, здесь иным путем реализуется тот же эффект, что и в кресте Миллса, т. е. помеховый сигнал на выходе 10 отличен от нуля лишь в том случае, если источник изучения находится на пересечении диаграмм направленности двух линейных антенн (столбца и строки излучателей).

Далее сигнал с выхода 10 поступает на вход устройства измерения амплитуды помехового сигнала 11, с выхода которого информация поступает на ЭВМ 5, где производится оценка пеленга источника излучения одним из известных методов на основе сопоставления амплитуды продетектированного сигнала с текущим направлением луча.

В принципе работа устройства, функционирующего по заявленному способу, не претерпит существенных изменений, если фазовращатели 2_mn являются дискретными.

В этом случае вместо модуляции фазы по линейному закону будет осуществляться квазилинейная модуляция фазы. На фиг. 3 показан закон ступенчатой (квазилинейной) модуляции фазы, реализуемый с помощью трехразрядных фазовращателей двоичного типа (180^o, 90^o, 45^o). В случае, если число разрядов фазовращателей равно v, то закон нарастающей модуляции может быть описан выражением

Раскладывая модулирующую функцию в ряд Фурье

получим для комплексной амплитуды составляющей спектра с номером p выражение

В выражении для A_p опущена непринципиальная постоянная фаза.

Анализ выражения для доказывает, что амплитуда первой гармоники

при М = 2³ составляет 0,975. Фаза первой гармоники т.е. описывается таким же выражением, как и в случае чисто линейного закона.

Однако в этом случае отличны от нуля также амплитуды гармоник с номерами p = 1+αM, где α = ±1,±2,... . Амплитуды этих гармоник в 1+αM раз меньше амплитуды первой гармоники

а фазы в 1+αM раз больше фазы первой гармоники, что позволяет ограничить их отрицательное влияние при достаточном числе разрядов в фазовращателях.

В случае модуляции фазы по убывающему квазилинейному закону изменится только знак фазы гармоник. В результате можно констатировать, что в случав квазилинейной модуляции фазы с точностью до величин второго порядка малости функционирование устройства по сравнению со случаем линейной модуляции фазы не изменяется.

Таким образом, введение дополнительной операции, связанной с модуляцией фазы сигналов, принимаемых элементами одного столбца и одной строки излучателей, а также изменение режима операции детектирования дают возможность относительно просто определить направление на источник радиоизлучений антенной решеткой системы передачи информации. Это позволяет расширить функциональные возможности антенных решеток систем передачи информации без необходимости производить изменения в высокочастотном тракте.

Источники информации
1. Бахрах Л. Д. , Кременецкий С.Д. Синтез излучающих систем (теория и методы расчета). - М.: "Сов. Радио", 1974, 232 с.

2. Радиотехнические системы./Под ред. Казаринова Ю.М. Учебник для вузов. - М.: "Сов. Радио", 1968, 496 с.

3. Кочержевский Г. Н., Ерохин Г.А., Козырев И.Д. Антенно-фидерные устройства. Учебник для вузов. - М.: Радио и связь, 1989, 352 с.

В изобретении фазу сигналов, принимаемых элементами одного из столбцов решетки, модулируют во времени по нарастающему или убывающему линейному или квазилинейному закону с периодом Т и с изменяющейся на величину ΔT_x от излучателя к излучателю задержкой, фазу сигналов, принимаемых элементами одной из строк решетки, аналогично модулируют по убывающему или нарастающему линейному закону с тем же периодом и с задержкой ΔT_y от излучателя к излучателю, а при детектировании принятых сигналов выделяют составляющую с круговой частотой 2Ω, где Ω = 2π/T, причем частоту модуляции 1/Т выбирают большей ширины спектра полезного сигнала, а направляющие косинусы относительно осей Х и Y направления на источник излучения находят из соотношений


где x₀ и у₀ - шаг решетки вдоль осей X и Y; λ - длина волны. Способ дает возможность относительно просто определить направление на источник радиоизлучений антенной решеткой системы передачи информации, что позволяет расширить функциональные возможности антенных решеток систем передачи информации без необходимости производить изменения в высокочастотном тракте. 3 ил.

Способ пеленгования источников излучений антенной решеткой системы передачи информации, основанный на установке фаз сигналов в каналах излучателей, за исключением одного столбца и одной строки, в состояния, обеспечивающие формирование плоского фронта, перпендикулярного направлению на источник полезного сигнала, определяемому направляющими косинусами cos θx₀ и cos θy₀, отличающийся тем, что в излучателях, образующих упомянутый один столбец, фазу сигналов модулируют во времени по нарастающему или убывающему линейному либо квазилинейному закону с периодом Т и с изменяющейся на величину ΔT_x от излучателя к излучателю задержкой, в излучателях, образующих упомянутую одну строку, фазу сигналов модулируют во времени по убывающему или нарастающему линейному либо квазилинейному закону с тем же периодом и с задержкой ΔT_y от излучателя к излучателю, при детектировании принятых сигналов выделяют составляющую с круговой частотой 2Ω, где Ω = 2π/T, причем частоту модуляции I/T выбирают большей ширины спектра полезного сигнала, а направляющие косинусы относительно осей X и Y направления на пеленгуемый источник излучения находят из соотношений


где x_o и y_o - шаг решетки вдоль осей Х и Y;
λ - длина волны.