СПОСОБ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ ОПТИМИЗАЦИИ МОНОИМПУЛЬСНЫХ АНТЕННЫХ РЕШЕТОК С СОВМЕСТНЫМ ФОРМИРОВАНИЕМ ЛУЧЕЙ Российский патент 2001 года по МПК H01Q3/26 

Изобретение относится к антенной технике и может быть использовано для оптимального управления комплексными взвешивающими устройствами в каналах моноимпульсных антенных решеток (MAP) по критерию максимума отношения сигнал/шум+помеха.

Известен способ оптимизации интегральных параметров антенных решеток (максимизация коэффициента направленного действия, отношения мощности сигнала к сумме мощностей шумов и помех), основанный на взвешивании сигналов, принятых каждым излучателем, с помощью комплексных весовых коэффициентов (КВК) [1], найденных на основе теоремы об экстремальных свойствах отношения эрмитовых форм [2], при определении которых используется информация о направлении на источник сигнала и распределении шумов и помех в пространстве
Существо известного способа оптимизации заключается в представлении максимизируемого интегрального параметра антенной решетки (АР), например отношения сигнал/шум+помеха (ОСПШ), в виде отношения эрмитовых форм:

где - N-мерный вектор-столбец КВК,
- эрмитовы матрицы N-го порядка,
Решением задачи оптимизации является N-мерный вектор-столбец КВК, который находится с использованием теоремы об экстремальных свойствах отношения эрмитовых форм, в соответствии с которой отношение эрмитовых форм (1) образует пучок эрмитовых форм

при этом максимум (1) равен максимальному характеристическому числу пучка эрмитовых форм (2), а обеспечивается этот максимум собственным вектором пучка (2), соответствующим его максимальному собственному значению.

Недостатком известного способа максимизации отношения сигнал/шум+помеха (или энергетической оптимизации) является то, что он не может быть применен к моноимпульсным антенным решеткам с совместным формированием лучей [3], так как оптимизация должна произойти как в суммарном, так и в разностном каналах.

Более близким по технической сущности к заявленному способу является способ совместного формирования нулей в суммарной и разностной диаграммах направленности (ДН) МАР [4], который основан на взвешивании сигналов, принятых каждым излучателем, их разделении на два канала, суммировании сигналов, полученных с одноименных выходов делителей с соответствующим прогрессивно нарастающим и убывающим фазовым сдвигом, обеспечивающим отклонение каждого луча на угол ± Δθ, и последующем образовании суммарной и разностной диаграмм направленности, где весовые коэффициенты сигналов, принятых каждым излучателем, выбирают равными алгебраической сумме весовых коэффициентов, обеспечивающих формирование нулей в направлениях на помехи как в суммарной, так и разностной ДН MAP.

Получаемое при реализации этого способа решение не является оптимальным, поскольку при формировании нулей не учитывается мощность помеховых сигналов, а также собственные шумы приемной системы, данное обстоятельство является недостатком известного способа.

Предлагаемый способ направлен на устранение упомянутых выше недостатков известных способов. Структурная схема устройства, функционирующего по предлагаемому способу, представлена на фиг. 1. На фиг. 2 и 3 представлены соответственно суммарные и разностные ДН MAP с совместным формированием лучей до оптимизации и после оптимизации по предлагаемому способу.

Рассмотрим существо предлагаемого способа. Как и в прототипе, сигналы, принятые каждым излучателем взвешивают с помощью КВК, далее эти сигналы разделяют на два канала, суммируют сигналы с одноименных выходов делителей с соответствующим прогрессивно нарастающим и убывающим фазовым сдвигом, обеспечивающим отклонение каждого луча на угол ± Δθ, и образуют суммарную и разностную диаграмму направленности. Однако в отличие от прототипа вектор-столбец КВК находят как главный вектор пучка эрмитовых форм, соответствующий наибольшему характеристическому числу этого пучка, при этом в качестве первой и второй эрмитовой формы выбирают соответственно мощность сигнала в суммарном канале и сумму мощностей шумов и помех в лучах моноимпульсной группы.

Проведенный сравнительный анализ заявленного способа и прототипа показывает - заявленный способ отличается тем, что изменены условия выполнения операции взвешивания: во-первых, КВК находят с использованием теоремы об экстремальных свойствах отношения эрмитовых форм, причем в качестве первой и второй эрмитовых форм соответственно выбирают мощность сигнала в суммарном канале и сумму мощностей шумов и помех в лучах моноимпульсной группы; во-вторых, при определении КВК учитывают информацию о мощности помех и собственных шумов приемной системы.

Рассмотрим предлагаемый способ энергетической оптимизации MAP с совместным формированием лучей, полагая, что распределение шумов и помех в пространстве известно, причем мощность помех T(θ) нормирована к мощности собственных шумов приемной системы, как в [1, 5].

С учетом структурной схемы оптимизируемой MAP, представленной на фиг. 1, для одновременной оптимизации и суммарной, и разностной ДН используем функционал следующего вида

где в предположении единичной нагрузки числитель представляет мощность сигнала в суммарном канале MAP

а знаменатель - сумму мощностей шумов и помех в первом и втором лучах моноимпульсной группы, причем

Выражение (5) записано в предположении, что размеры излучателей вдоль оси x бесконечны, а излучение производится в полупространство z > 0.

Необходимо отметить, что знаменатель в (3) при согласовании суммарно-разностного преобразователя (СРП) по входам и выходам и отсутствии потерь в нем равен сумме мощностей шумов и помех в суммарном и разностном каналах с учетом шумов приемников. Учет потерь в СРП отразится лишь на нормировке уровня помех. С учетом сказанного следует, что оптимизируемым параметром в предлагаемом способе является отношение сигнал/помеха+шум MAP. Используемый в (3) знаменатель удобней для дальнейших преобразований, поскольку пространственное подавление помех в суммарном и разностном каналах MAP достигается автоматически, если удается их подавить в каждом из лучей MAP [4].

В (4) и (5) f^Σ(θ) = f⁽¹⁾(θ)+f⁽²⁾(θ) - суммарная ДН MAP,
f^(ν)(θ) = f(θ±Δθ), (6)
Верхний знак в (6) и далее берется при ν = 1. Через f(θ) обозначена ненормированная ДН системы, возбужденной током

Учитывая, что после взвешивания сигналов, принятых каждым излучателем, их разделяют на два канала и суммируют сигналы с одноименных выходов делителей с соответственно прогрессивным нарастающим и убывающим фазовым сдвигом, обеспечивающим отклонение каждого луча на угол ±Δθ, представим выражение для лучей моноимпульсной группы в виде:

где

ΔΨ = 2πy_osinΔθ/λ, (10)
λ,y_o - длина волны и шаг решетки.

Тогда для суммарной ДН получим

где

Принимая во внимание (4) и (11), можем записать

где

-эрмитова матрица N-го порядка с элементами

Аналогично можно для мощности шума и помех в ν-м луче моноимпульсной группы записать

где [B^(ν)] - эрмитова матрица N-го порядка с элементами

С учетом (13) и (16) можем представить отношение мощности сигнала в суммарном канале к сумме шумов и помех в лучах моноимпульсной группы в виде

где [В'] - эрмитова матрица N-го порядка с элементами

Выражение (18) представляет собой отношение эрмитовых форм, которому соответствует пучок эрмитовых форм

В связи с этим в дальнейшем для определения максимума (18) (или, что то же самое (3)) воспользуемся теоремой об экстремальных свойствах отношения эрмитовых форм [2], а именно одним из частных случаев этой теоремы.

В соответствии с [1] , если матрица, образующая первую эрмитову форму (числитель функционала (18)), может быть представлена в виде (14), где вектор-строка, то наибольшее и неравное нулю собственное значение пучка эрмитовых форм (20) определяется выражением

а собственный вектор, обеспечивающий максимум функционала (18) находится аналитически из выражения

Рабата устройства, функционирующего по предложенному способу, может быть проиллюстрирована с помощью фиг. 1. Информация о напряжении θ_o на источник сигнала и о распределении источников помех T(θ) в пространстве поступает на входы 1 и 2 вычислителя КВК 3, функционирующего в соответствии с выражением (22). Принятые каждым излучателем 4 сигналы взвешиваются с помощью устройств комплексного взвешивания 5 в соответствии с КВК, поступающими от вычислителя 3, после чего проходят на входы делителей 6 на два направления. Сигналы с одноименных выходов делителей поступают на входы сумматоров 7 и 8 соответственно через фиксированные фазовращатели 9. При этом на входах сумматора 7 обеспечивается прогрессивный нарастающий, а на входах сумматора 8 - убывающий фазовый сдвиг. В результате на выходах сумматоров 7 и 8 формируются лучи моноимпульсной группы, из которых суммарно-разностный преобразователь 10 формирует суммарную 11 и разностную 12 ДН.

На фиг. 2 и 3 сплошной линией представлены суммарная и разностная ДН неоптимизированной MAP с совместным формированием лучей (т.е. при отсутствии помех). Расчеты выполнены для решетки ненаправленных излучателей с параметрами N = 19, y_o= 0,5λ, при θ_o= 20^° и Δθ = 3,2^°, а также функции T(θ) следующего вида
(23)
Штрихованными линиями на фиг. 2 и 3 изображены результаты энергетической оптимизации соответственно в суммарной и разностной ДН. На фиг. 2 и 3 направление прихода помехи показано штрнхпунктирной линией.

Результаты моделирования показали, что в случае воздействия распределенной помехи вида (23) отношение сигнал/шум+помеха в суммарном канале до оптимизации составляет -10.3 дБ, а после оптимизации 15.4 дБ, при этом КНЦ оптимизированной суммарной ДН снижается лишь на 0.9 дБ. Соответствующие КВК приведены в таблице.

Из фиг. 2 и 3 следует, что при выборе в качестве одной эрмитовой формы мощности сигнала в суммарном канале, а в качестве второй - суммы мощностей шумов и помех в лучах моноимпульсной группы достигается энергетическая оптимизация MAP с совместным формированием лучей. Предлагаемый способ может быть применен также к MAP с направленными идентичными и к MAP с неидентичными (например, искаженными взаимными связями) излучателями.

Источники информации
1. Cheng D.K. Optimization techniques for antenna arrays// IEEE Proc., 1971, v.59, N 12, p.1664.

2. Гантмахер Ф.Р. Теория матриц. 4-изд. М.: Наука. Гл. ред. физ. -мат. лит., 1988.

3. Попов А.С., Кузнецова А.С., Баранов В.М. Особенности формирования нулей в диаграммах направленности моноимпульсных антенных решеток// Зарубежная радиоэлектроника,1994, N 11/12, с. 17.

4. Патент N 2106728 РФ. Способ совместного формирования нуля в суммарной и разностной диаграммах направленности моноимпульсной АР/ Мануилов Б.Д., Пугачев В.В.// 1998, БИ N 7.

5. Проблемы антенной техники/ Под ред. Л.Д. Бахраха, Д.И. Воскресенского. - М.: Радио и связь, 1989.

Способ энергетической оптимизации моноимпульсных антенных решеток с совместным формированием лучей основан на взвешивании сигналов, принятых каждым излучателем, с помощью комплексных весовых коэффициентов. Сигналы с выходов комплексных устройств взвешивания разделяются на два канала и далее суммируются с одноименных выходов делителей с соответствующим прогрессивным нарастающим и убывающим фазовым сдвигом, обеспечивающим отклонение каждого луча на угол ±Δθ. В дальнейшем из двух моноимпульсных лучей образуются суммарная и разностная диаграммы направленности. Комплексные весовые коэффициенты определяются как главный вектор пучка эрмитовых форм, соответствующий наибольшему характеристическому числу пучка, при определении которого используют информацию о направлении на источник сигнала и о распределении источников помех, а в качестве первой и второй эрмитовой формы выбирается соответственно мощность сигнала в суммарном канале и сумма мощностей шумов и помех в лучах моноимпульсной группы. Технический результат - оптимизация отношения сигнал/помехи+шум. 1 табл., 3 ил.

Способ энергетической оптимизации моноимпульсных антенных решеток с совместным формированием лучей, основанный на взвешивании сигналов, принятых каждым излучателем, с помощью комплексных весовых коэффициентов, разделении этих сигналов на два канала, суммировании сигналов с одноименных выходов делителей с соответствующим прогрессивно нарастающим и убывающим фазовым сдвигом, обеспечивающим отклонение каждого луча на угол ±Δθ, и последующем образовании суммарной и разностной диаграмм направленности, отличающийся тем, что комплексные весовые коэффициенты найдены как главный вектор пучка эрмитовых форм, соответствующий наибольшему характеристическому числу пучка, при определении которого используют информацию о направлении на источник сигнала и о распределении источников помех, а в качестве первой и второй эрмитовой формы выбирают соответственно мощность сигнала в суммарном канале и сумму мощностей шумов и помех в лучах моноимпульсной группы.