САМОФАЗИРУЮЩАЯСЯ АНТЕННАЯ РЕШЕТКА Российский патент 2001 года по МПК H01Q21/00 

Предлагаемое изобретение относится к области антенной техники и предназначено для использования в радиотехнических системах различного назначения, в частности, в спутниковых системах связи в качестве следящей приемной антенны.

Известны самофазирующиеся антенные решетки (СФАР) [1], используемые в системах связи с подвижными объектами, содержащие N антенных элементов с индивидуальными цепями гетеродинной фазовой автоподстройки с общим гетеродином и общим генератором опорного сигнала и N-канальный сумматор, выход которого является выходом СФАР.

Существенным их недостатком является высокое требование к скорости перестройки фазы. Это обусловлено тем, что основным условием работы СФАР является совпадение частоты опорного генератора с частотой принятого сигнала. Если при этом частота опорного генератора стабилизирована к номинальной частоте принимаемого сигнала, то из-за доплеровского смещения частоты резко возрастает требование к скорости перестройки фазы. В частности, для случая сантиметрового диапазона длин волн требуемая скорость перестройки фазы может достигать значений 10⁷-10⁸ град/с. Очевидно, что в этом случае становится неприемлемыми не только механически, но и электрически управляемые (серодинные и гетеродинные) фазовращатели из-за высоких требований к стабильности [1]. Таким образом, оказывается необходимым хотя бы приближенное слежение частоты опорного генератора за частотой принимаемых сигналов, с помощью автоматических частотно-регулируемых цепей. Другим существенным недостатком известных СФАР является относительно низкая чувствительность, под которой будем понимать минимальное значение отношения сигнала к шуму в раскрыве антенной решетки, необходимое для того, чтобы положить начало процессу самофазирования.

Действительно в известных самофазирующихся антенных решетках процесс самофазирования зависит от отношения сигнала к шуму (ОСШ) на входе фазового детектора, которое должно быть больше единицы. Поскольку для обеспечения широкого сектора обзора пространства используются слабонаправленные антенные элементы с коэффициентом усиления порядка единицы, эти самофазирующиеся антенные решетки не позволяют осуществлять прием сигналов с ОСШ в раскрыве антенной решетки меньше единицы.

Наиболее существенно этот недостаток проявляется при приеме широкополосных цифровых сигналов.

Наиболее близкой по технической сущности к заявляемому изобретению является выбранная в качестве прототипа СФАР [2], содержащая N антенных элементов с индивидуальными цепями фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ) с общим гетеродином и общим генератором опорного сигнала и N-канальный сумматор. Наличие в данной СФАР цепей ФАПЧ значительно снижает требования к скорости перестройки и стабильности гетеродинных фазовращателей, а двойное преобразование частоты принятого сигнала с последовательным ее снижением позволяют реализовать узкополосную фильтрацию принятого сигнала и, как следствие, повышение ОСШ на входе фазового детектора (повышение чувствительности). Однако и в этой СФАР потенциальные возможности повышения чувствительности реализуются далеко не полностью. Кроме того, относительно высокая ее чувствительность реализуется лишь при использовании в системах связи с наличием пилот-сигнала, по которому она осуществляет автоматическое фазирование. При этом полоса частот пилот-сигнала значительно уже полосы частот информационного сигнала.

Техническая задача изобретения - повышение чувствительности самофазирующейся антенной решетки с системой автоматического фазирования по информационному сигналу.

Задача достигается тем, что в известном устройстве, содержащем N- антенных элементов, N-канальный сумматор, выход которого является выходом СФАР, и N цепей фазовой автоподстройки частоты с общим гетеродином и общим генератором опорного сигнала, каждая из которых состоит из последовательно соединенных первого смесителя, второго смесителя, первого полосового фильтра и фазового детектора, выход которого соединен через последовательно соединенные интегратор и генератор, управляемый напряжением (ГУН), со вторым входом первого смесителя, а второй вход - с выходом генератора опорного сигнала, причем первый вход каждого первого смесителя соединен с выходом соответствующего антенного элемента, а выход - с первым входом соответствующего второго смесителя и соответствующим входом N-канального сумматора, при этом второй вход каждого второго смесителя соединен с выходом общего гетеродина, согласно изобретению введены диаграммообразующая схема матричного типа, количество входов и выходов которой соответствует числу антенных элементов, включенная между антенными элементами и первыми смесителями, и N устройств свертки спектра сигнала, каждое из которых включено между выходом соответствующего первого полосового фильтра и входом соответствующего фазового детектора и состоит из последовательно соединенных умножителя частоты на "m", второго полосового фильтра и делителя частоты на "m", где "m" - позиционность цифрового фазоманипулированного сигнала.

Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что предлагаемая самофазирующаяся антенная решетка отличается наличием новых элементов и связью между ними - введены диаграммообразующая схема матричного типа, количество входов и выходов которой соответствует числу антенных элементов, включенная между антенными элементами и первыми смесителями, и N устройств свертки спектра сигнала, каждое из которых включено между выходом соответствующего первого полосового фильтра и входом соответствующего фазового детектора и состоит из последовательно соединенных умножителя частоты на "m", второго полосового фильтра и делителя частоты на "m", где "m" - позиционность цифрового фазоманипулированного сигнала.

Таким образом, изобретение соответствует критерию изобретения "новизна".

Анализ известных технических решений в известной области и смежной с ней позволяет сделать вывод, что введенные элементы известны.

Однако введение диаграммообразующей схемы матричного типа и устройств свертки спектра сигнала, включенных в схему СФАР указанным способом, обеспечивают устройству такие новые свойства, как возможность организованного фазирования и когерентного суммирования на входе каждого первого смесителя сигналов от всех антенных элементов, а при приеме цифровых фазоманипулированных сигналов - возможность повышения спектральной плотности мощности сигнала и обужение шумовой полосы на входе каждого фазового детектора, что, в конечном итоге, ведет к существенному повышению чувствительности СФАР и, как следствие, к обеспечению возможности ее работы при значении ОСШ в раскрыве антенной решетки меньше 1.

Изобретение имеет изобретательский уровень, так как оно для специалиста явным образом не следует из уровня техники.

Изобретение является промышленно применимым, так как оно может быть использовано в различных областях народного хозяйства.

На чертеже представлена структурная схема предлагаемой самофазирующейся антенной решетки, где
1 - антенный элемент;
2 - диаграммообразующая схема (ДОС);
3 - N-канальный сумматор;
4 - цепь ФАПЧ;
5 - первый смеситель;
6 - второй смеситель;
7 - первый полосовой фильтр;
8 - устройство свертки спектра сигнала;
9 - умножитель частоты на "m";
10 - второй полосовой фильтр;
11 - делитель частоты на "m";
12 - фазовый детектор (ФД);
13 - интегратор;
14 - ГУН;
15 - гетеродин;
16 - генератор опорного сигнала.

Самофазирующаяся антенная решетка содержит N антенных элементов 1, диаграммообразующую схему матричного типа 2, имеющую N входов и N выходов, N -канальный сумматор 3, выход которого является выходом СФАР, и N цепей ФАПЧ 4 с общим гетеродином 15 и общим генератором опорного сигнала 16. При этом антенные элементы 1 соединены с соответствующими входами ДОС 2, каждый выход которой соединен с входом соответствующей цепи ФАПЧ 4 являющейся одновременно входом соответствующего первого смесителя 5. Выход каждой цепи ФАПЧ 4, являющийся одновременно выходом соответствующего первого смесителя 5, соединен с соответствующим входом N-канального сумматора 3. Каждая из цепей ФАПЧ 4 включает в себя интегратор 13, ГУН 14 и последовательно соединенные первый смеситель 5, второй смеситель 6, первый полосовой фильтр 7, устройство свертки спектра сигнала 8, состоящее из последовательно соединенных умножителя частоты на "m" 9, второго полосового фильтра 10 и делителя частоты на "m" 11, и фазовый детектор 12, выход которого соединен через последовательно соединенные интегратор 13 и ГУН 14 со вторым входом первого смесителя 5. Второй вход каждого ФД 12 соединен с выходом общего генератора опорного сигнала 16, а второй вход каждого второго смесителя 6 соединен с выходом общего гетеродина 15,
Устройство работает следующим образом.

Сигнал, принятый каждым отдельным антенным элементом 1, поступает на соответствующий ему вход ДОС 2, которая осуществляет их организованное фазирование и когерентное суммирование. В результате на каждом ее выходе (на входе каждой цепи ФАПЧ 4) получается суммарный сигнал от всех антенных элементов 1 и, как следствие, отношение мощности сигнала к мощности шума возрастает в N раз, т.е. в N раз повышается чувствительность СФАР. Это возрастание получается вследствие того, что шумы от различных антенных элементов 1 складываются не когерентно (по мощности), в то время как полезные сигналы складываются когерентно (по напряжению) [1]. Просуммированный со всех антенных элементов 1 сигнал с каждого из N выходов ДОС 2 поступает на вход соответствующей цепи ФАПЧ 4 (первый вход первого смесителя 5). С выхода смесителя 5 сигнал одновременно подается на соответствующий вход N-канального сумматора 3 и вход второго смесителя 6 цепи ФАПЧ 4.

Если волновой фронт падающей от источника излучения электромагнитной волны расположен под некоторым углом α относительно нормали к плоскости раскрыва СФАР, то первоначально сигналы, поступающие с выхода каждого первого смесителя 5 на входы N-канального сумматора 3, суммируются им с произвольной фазой, определяемой положением волнового фронта падающей волны и начальными фазами антенных элементов 1 и ДОС 2. Одновременно вторая часть сигнала с выхода каждого первого смесителя 5 подвергается процессу автоматического фазирования и подстройки частоты цепями ФАПЧ 4. При этом задача фазирования состоит в том, чтобы сигналы, поступающие на входы N-канального сумматора 3 со всех цепей ФАПЧ 4, имели одинаковые фазы и суммировались им когерентно. Рассмотрим процесс автоматического фазирования сигналов на примере работы одной из i=1,2,3...N цепей ФАПЧ 4. Предположим, что полоса частот информационного сигнала S равна 10 МГц (Δf_s= 10МГц), а несущая частота f_s=1500 МГц. Каждая i-я цепь ФАПЧ 4 включает первый смеситель 5 и второй смеситель 6, на который подается сигнал от общего гетеродина 15, частота которого f₁ обычно выбирается в пределах 10-100 МГц. Такое двойное преобразование частоты обеспечивает последовательное снижение промежуточной частоты до частоты f₂ опорного генератора 16 и упрощает тем самым реализацию последующих процессов. Генератор опорного сигнала 16, также общий для всех цепей ФАПЧ 4, генерирует низкочастотный сигнал с частотой f₂, лежащей в диапазоне порядка 5-50 кГц, для целей сравнения его фазы с фазой информационного сигнала в ФД 12.

Информационный сигнал S, принятый антенными элементами 1 и просуммированный на одном из i-х выходов ДОС 2, поступает на первый вход первого смесителя 5 с частотой f_s ⁱ и фазой θis

, а на второй его вход поступает сигнал от ГУН 14 с частотой fⁱ _г и фазой θiг. В результате на выходе образуется разностный сигнал более низкой частоты, который и подается на соответствующий вход N-канального сумматора 3, выход которого является выходом СФАР.

Этот же сигнал поступает на первый вход второго смесителя 6, а на второй его вход подается сигнал от общего гетеродина 15 с частотой f₁ и фазой θ_l.
Смеситель 6 обеспечивает подавление зеркального канала, предотвращая возрастание уровня собственных шумов. С его выхода сигнал, имеющий дважды сдвинутую фазу θ_i= θis

-θiг-θ₁ и частоту f_i=f_s ⁱ-f_г ⁱ -f₁, близкую к частоте f₂ опорного генератора 16, поступает на вход первого полосового фильтра 7, центральная частота полосы пропускания Δf_nф1 которого настроена на частоту f₂ опорного генератора 16.

При этом полоса пропускания первого полосового фильтра 7 выбирается не менее полосы частот информационного сигнала, т.е. Δf_nф1≥ Δf_s. Следует заметить, что в прототипе полоса частот этого фильтра может быть выбрана значительно уже, т. к. выбирается из условия фильтрации не широкополосного информационного сигнала, а узкополосного пилот-сигнала, частота которого лежит в полосе частот информационного сигнала, тем самым повышается чувствительность СФАР-прототипа при работе с пилот-сигналом.

С выхода первого полосового фильтра 7 сигнал с частотой, близкой к f₂, полосой частот Δf_s и дважды сдвинутой фазой θ_i= θis

-θiг-θ₁ поступает на вход устройства свертки спектра сигнала 8.

В устройстве свертки спектра сигнала 8 происходит умножение частотного спектра фазоманипулированного цифрового сигнала на число "m", равное позиционности фазоманипулированного сигнала, в результате чего информационные скачки фазы сигнала приводятся к значениям, кратным 180^o, т.е. происходит снятие манипуляции сигнала, чему в частотной области соответствует свертка спектра сигнала в несущую частоту mf₂ с сохранением его суммарной мощности.

Затем производится фильтрация свернутого сигнала на частоте mf₂ вторым (более узкополосным) полосовым фильтром 10, т.е. производится резкое обужение шумовой полосы обрабатываемого сигнала, что при сохранении его суммарной мощности обусловливает увеличение ОСШ на входе фазового детектора 12, а следовательно, увеличение чувствительности СФАР, в число раз, близкое к отношению Δf_s/Δf_nф2, где Δf_s- полоса частот информационного сигнала, Δf_nф2- полоса пропускания второго полосового фильтра 10. Далее производится деление частоты mf₂ сигнала делителем частоты на "m" 11, т.е. восстановление несущей частоты, а следовательно, и информации о начальной фазе исходного сигнала.

Для случая приема сигналов с другими видами модуляции свертки спектра сигнала не происходит и введенное устройство свертки спектра сигнала свойств прототипа не изменяет.

С выхода устройства свертки спектра сигнала 8 сигнал с центральной частотой, близкой к частоте f₂ опорного генератора 16, полосой частот Δf_nф2<< Δf_s и фазой θ_i= θis

-θiг-θ₁ поступает на первый вход ФД 12, а на второй его вход подается сигнал от общего опорного генератора 16 с частотой f₂ и фазой θ₂. При этом электрические длины трактов от опорного генератора 16 до входов всех ФД 12 выбраны из условия равенства фаз θ₂ во всех цепях ФАПЧ 4. В ФД 12 происходит сравнение фаз этих сигналов и при их несовпадении вырабатывается сигнал ошибки, поступающий на вход интегратора 13, где преобразуется в постоянное напряжение и подается на вход ГУН 14, вызывает перестройку его частоты с f_г ⁱ на f_г1 ⁱ и фазы с θiг на θiг1. Этот процесс будет продолжаться до тех пор, пока фаза информационного сигнала θ_i= θis-θiг-θ₁ на входе ФД 12 не совпадет с фазой θ₂ опорного генератора 16, т.е. θis-θiг-θ₁= θ₂. При этом на выходе первого смесителя 5 каждой i-й цепи ФАПЧ (входе каждого i-го канала N-канального сумматора 3) фаза сигнала будет θis-θiг= θ₁+θ₂, т.е. будет равно сумме фаз сигналов общего опорного генератора 16 и общего гетеродина 15. Следовательно, сигналы от всех ветвей ФАПЧ 4 будут подаваться на входы N-канального сумматора 3 с одинаковой фазой θ = θ₁+θ₂. На этом процесс самофазирования антенной решетки заканчивается.

Оценим чувствительность СФАР по изобретению по сравнению с чувствительностью СФАР - прототипом более детально. Под выигрышем в чувствительности М будем понимать
M = γ_u/γ_n,
где γ_u- отношение мощности сигнала к мощности шума на входе фазового детектора СФАР по изобретению;
γ_n- отношение мощности сигнала к мощности шума на входе фазового детектора СФАР-прототипа.

Выделим одну из параллельных ветвей СФАР-прототипа, состоящую из последовательно включенных антенного элемента 1, первого смесителя 5, второго смесителя 6, первого полосового фильтра 7 и фазового детектора 12. Запишем выражение для ОСШ на входе фазового детектора, полагая все элементы пассивными, что вполне допустимо при качественной оценке

где Р_с - мощность сигнала на входе антенного элемента;
η_ф- КПД фидерного тракта от антенного элемента до входа фазового детектора СФАР - прототипа;
Т_а- эквивалентная шумовая температура антенного элемента;
Т₀ - физическая температура;
к - постоянная Больцмана;
Δf_s- полоса частот принимаемого сигнала.

Выделим одну из аналогичных ветвей СФАР по изобретению, состоящую из последовательно включенных антенного элемента 1, диаграммообразующей схемы 2, первого смесителя 5, второго смесителя 6, первого полосового фильтра 7, устройства свертки спектра сигнала 8 и фазового детектора 12. Запишем выражения для ОСШ на входе ФД в случае приема фазоманипулированных сигналов (γфмu

) и в случае приема сигналов с другими видами модуляции (γxu):


где N - количество антенных элементов СФАР;
КПД фидерного тракта СФАР по изобретению;
Δf_nф2- полоса пропускания второго полосового фильтра 10.

Тогда выражения для оценки выигрыша в чувствительности для двух рассматриваемых случаев будут иметь вид


Полагая что вполне допустимо, особенно при использовании активных антенных элементов (со встроенными малошумящими усилителями), получим максимальное значение выигрыша в чувствительности предложенной СФАР по сравнению с СФАР - прототипом:
M_max ^x=N.

Таким образом, для фазоманипулированных сигналов выигрыш прямо пропорционален количеству антенных элементов СФАР и отношению полосы частот информационного сигнала к полосе пропускания второго полосового фильтра устройства свертки спектра сигнала. Для сигналов с другими видами модуляции максимальный выигрыш в чувствительности составляет N раз.

Для реализации ДОС 2 использована классическая ДОС Батлера в микрополосковом исполнении. Умножители частоты 9 выполнены на основе параллельно включенных диодов с накоплением заряда, делители частоты 11 - на микросхемах 193-й серии. Фильтры 10 - фильтры на сосредоточенных LC-элементах.

Результаты макетирования и экспериментального исследования показали, что предложенное техническое решение, по сравнению с прототипом, обеспечивает существенное повышение чувствительности СФАР. При этом для случая использования активных излучателей с коэффициентом усиления выигрыш в чувствительности предложенной СФАР близок к потенциально достижимым значениям.

Источники информации
1. "Сканирующие антенные системы СВЧ" перевод с англ. Под ред Г.Т.Маркова и А.Ф. Чаплина, т.III, М. "Сов. Радио", 1971, стр. 383-410.

2. Международная заявка WО 88/03333, МПК H 01 Q 3/42, 3/26. Фазированная антенная решетка.

Самофазирующаяся антенная решетка (СФАР) относится к области антенной техники и предназначена для использования в радиотехнических системах различного назначения. Технический результат заключается в повышении чувствительности самофазирующейся антенной решетки с системой автоматического фазирования по информационному сигналу и достигается путем включения между антенными элементами и соответствующими им первыми смесителями, цепей фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ) диаграммообразующей схемы матричного типа, количество входов и выходов которой соответствует числу антенных элементов и N устройств свертки спектра сигнала, включенных в цепи ФАПЧ соответствующим образом. 1 ил.

Самофазирующаяся антенная решетка (СФАР), содержащая N антенных элементов, N-канальный сумматор, выход которого является выходом СФАР, и N цепей фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ) с общим гетеродином и общим генератором опорного сигнала, каждая из которых состоит из последовательно соединенных первого смесителя, первый вход которого является входом соответствующей цепи ФАПЧ, второго смесителя и первого полосового фильтра, а также фазового детектора, выход которого соединен через последовательно соединенные интегратор и генератор, управляемый напряжением, со вторым входом первого смесителя, а второй вход - с выходом общего генератора опорного сигнала, причем выход каждого первого смесителя подключен также к соответствующему входу N-канального сумматора, при этом второй вход каждого второго смесителя соединен с выходом общего гетеродина, отличающаяся тем, что содержит также диаграммообразующую схему (ДОС) матричного типа, количество входов и выходов которой соответствует числу антенных элементов, при этом антенные элементы соединены с соответствующими входами ДОС матричного типа, каждый выход которой соединен с входом соответствующей цепи ФАПЧ, и N устройств свертки спектра сигнала, каждое из которых включено между выходом соответствующего первого полосового фильтра и входом соответствующего фазового детектора, и состоит из последовательно соединенных умножителя частоты на m, второго полосового фильтра и делителя частоты на m, где m - позиционность цифрового фазоманипулированного сигнала.