СПОСОБ ФОРМИРОВАНИЯ МНОГОЛЕПЕСТКОВЫХ ДИАГРАММ НАПРАВЛЕННОСТИ АНТЕННОЙ РЕШЕТКИ Российский патент 2007 года по МПК H01Q3/26 

Изобретение относится к антенной технике и может быть использовано для формирования многолепестковых диаграмм направленности (ДН) с регулируемой фазовой ДН в антенных решетках (АР) с амплитудно-фазовым (комплексным) управлением.

Известен способ формирования многолепестковых диаграмм направленности антенной решетки [1], основанный на взвешивании сигналов, принятых каждым излучателем, и последующем их суммировании, при котором комплексные весовые коэффициенты находят как главный вектор пучка эрмитовых форм, соответствующий наибольшему характеристическому числу пучка, причем в качестве первой эрмитовой формы пучка выбирают квадрат модуля взвешенной суммы значений диаграммы направленности в направлениях формируемых лепестков, в качестве второй эрмитовой формы выбирают среднее значение диаграммы направленности по мощности, а при определении главного вектора пучка эрмитовых форм используют информацию о направлениях ориентации основных лепестков диаграммы направленности и их относительном уровне.

Рассмотрим существо известного способа на примере N-элементной кольцевой АР. Принятые излучателями сигналы взвешивают с помощью комплексных взвешивающих устройств, регулирующих амплитуду и фазу сигналов, после чего суммируют.

Для формирования в диаграмме направленности f(ϕ) в направлениях ϕ_S (s=1, 2, ...S) "лучей" с относительной амплитудой w_s находят N-мерный вектор-столбец комплексных амплитуд токов в излучателях, максимизирующий следующий энергетический функционал

представляющий отношение эрмитовых форм. В (1) квадратными скобками обозначены матрицы, * - знак эрмитова сопряжения матрицы и комплексного сопряжения скалярной величины.

Числитель (1) представляет квадрат модуля взвешенной суммы значений ДН в S направлениях. Элементы эрмитовой матрицы [А] определены выражением

где

f_n(ϕ_S) - значение ненормированной ДН n-го элемента (в составе решетки) в s-ом направлении, учитывающее информацию об ориентации формируемых лепестков (n=1, 2, ...N);

w_s - весовой множитель, учитывающий информацию об относительном уровне s-го лепестка.

Знаменатель (1) представляет среднее значение диаграммы направленности по мощности, где [В] - квадратная эрмитова матрица N-го порядка с элементами

Входящие в (1) эрмитовы формы определяют пучок форм

который является регулярным, так как форма положительно определена, что обусловлено ее физическим смыслом.

Максимум (1) равен наибольшему характеристическому числу пучка форм (5), причем этот максимум достигается только на соответствующем этому числу главном векторе пучка [2]. Поскольку ранг матрицы [А] равен единице, то вектор токов, доставляющий максимум функционалу (1), находится аналитически

Здесь через (fs) обозначена вектор-строка с элементами, определенными выражением (3).

Известный способ обеспечивает по заданным направлениям ориентации основных лепестков диаграммы направленности и их относительным уровням сформировать многолучевую ДН решетки с произвольным расположением элементов (линейных, дуговых, кольцевых, плоских и т.д.).

В тех случаях, когда АР функционирует в условиях многолучевого распространения радиоволн одного источника, известный способ не обеспечивает эффективное сложение сигналов, принимаемых различными лепестками ДН, так как не предусматривает регулировку значений фазовой диаграммы в направлениях формируемых лепестков. Это является недостатком известного способа.

Предлагаемый способ направлен на устранение упомянутого недостатка известного способа. На фиг.1 представлена сформированная на базе предлагаемого метода трехлепестковая амплитудная диаграмма направленности. На фиг.2 приведены графики значений фазовой ДН в направлениях максимумов как функции фазы одного из весовых множителей.

Рассмотрим существо предлагаемого способа. Как и в прототипе, сигналы, принятые каждым излучателем, взвешивают с помощью КВК, после чего их суммируют, при этом комплексные весовые коэффициенты находят как главный вектор пучка эрмитовых форм, соответствующий наибольшему характеристическому числу пучка, причем в качестве первой эрмитовой формы пучка выбирают квадрат модуля взвешенной суммы значений диаграммы направленности в направлениях формируемых лепестков, в качестве второй эрмитовой формы выбирают среднее значение диаграммы направленности по мощности, а при определении главного вектора пучка эрмитовых форм используют информацию о направлениях ориентации основных лепестков диаграммы направленности и их относительном уровне. Однако при определении главного вектора пучка эрмитовых форм используют также информацию о требуемых значениях фазовой диаграммы в направлениях формируемых лепестков, в связи с чем при взвешивании значений диаграммы направленности в направлениях формируемых лепестков применяют комплексные весовые множители, учитывающие требуемые значения фазовой диаграммы с противоположными знаками.

Проведенный сравнительный анализ заявленного способа и прототипа показывает, что заявляемый и известный способы отличаются режимом выполнения операции взвешивания, так как при определении главного вектора пучка эрмитовых форм используют также информацию о требуемых значениях фазовой диаграммы в направлениях формируемых лепестков, в связи с чем при взвешивании значений диаграммы направленности в направлениях формируемых лепестков применяют комплексные весовые множители, учитывающие требуемые значения фазовой диаграммы с противоположными знаками.

Рассмотрим предлагаемый способ формирования многолепестковых диаграмм направленности на примере N-элементной кольцевой антенной решетки радиуса R, в каждом канале которой имеется устройство комплексного взвешивания J_n. Выходы всех устройств комплексного взвешивания соединены с входами сумматора, на выходе которого формируется диаграмма направленности f(ϕ).

Для формирования в диаграмме направленности f(ϕ) в направлениях ϕ_S (s=1, 2, ...S) "лучей" с относительной амплитудой w_s и фазой ψ_s, как и ранее, находят N-мерный вектор-столбец комплексных амплитуд токов в излучателях, максимизирующий функционал (1). Элементы матриц [А] и [В] функционала (1) по-прежнему определяют с помощью выражений (2) и (4) с той лишь разницей, что входящую в (2) взвешенную сумму значений ДН n-го элемента АР в S направлениях (fs_n) в отличие от (3) определяют по формуле

Искомый вектор-столбец комплексных амплитуд токов в излучателях, как и ранее, находят с помощью выражения (6) как главный вектор пучка эрмитовых форм (5), соответствующий его максимальному характеристическому числу.

Из сравнения выражений (3) и (7) следует, что в предложенном способе при определении главного вектора пучка эрмитовых форм используют также информацию о требуемых значениях фазовой диаграммы в направлениях формируемых лепестков, в связи с чем при взвешивании значений диаграммы направленности в направлениях формируемых лепестков применяют комплексные весовые множители учитывающие требуемые значения фазовой диаграммы с противоположными знаками.

Моделирование проведено на кольцевой АР с изотропными излучателями. ДН элементов принимались в виде:

где ϕ_n - угловая координата n-го излучателя,

при тех же исходных данных, что и в прототипе (число излучателей N=36, шаг решетки λ/2, углы ориентации лепестков ДН ϕ₁=110°, ϕ₂=150°, ϕ₃=240°, весовые коэффициенты w₁=1, w₂=1, w₃=0.5 (фиг.1)). Дополнительно принято ψ₁=0, ψ₃=135°, а ψ₂ варьируется в пределах от -180° до 180°. Из приведенных на фиг.2 графиков следует, что при использовании предложенного способа изменение значения фазовой ДН в одном из лепестков (втором) практически не влияет на значения ДН в других лепестках. В регулируемом лепестке (втором) значение фазовой ДН линейно зависит от фазы весового множителя.

Возможность же регулировать значения фазовой ДН в лепестках многолучевой ДН расширяет функциональные возможности антенной системы, например, при приеме волн одного источника в условиях многолучевого распространения.

Таким образом, изменение режима выполнения операции взвешивания, заключающееся в том, что при определении главного вектора пучка эрмитовых форм используют также информацию о требуемых значениях фазовой диаграммы в направлениях формируемых лепестков, в связи с чем при взвешивании значений диаграммы направленности в направлениях формируемых лепестков применяют комплексные весовые множители учитывающие требуемые значения фазовой диаграммы с противоположными знаками, позволяет при формировании многолепестковых диаграмм направленности с заданными положениями и уровнями основных лепестков регулировать также значения фазовой диаграммы в направлениях этих лепестков.

Источники информации

1. Патент №2249890 РФ. Способ формирования многолепестковых диаграмм направленности антенной решетки / Б.Д.Мануилов, П.Н.Башлы, Ю.Д.Безуглов, А.А.Кузнецов // 2005, БИ №10.

2. Ф.Р.Гантмахер. Теория матриц. - 4-е изд. - М.: Наука, гл.ред. физ-мат. лит., 1988, 552 с.

Изобретение относится к антенной технике. Технический результат заключается в том, что при формировании многолепестковых диаграмм направленности с заданными положениями и уровнями основных лепестков можно регулировать также значения фазовой диаграммы в направлениях этих лепестков. Сущность изобретения состоит в том, что в способе формирования многолепестковых диаграмм направленности антенной решетки, основанном на взвешивании сигналов, принятых каждым излучателем, и последующем их суммировании, при котором комплексные весовые коэффициенты находят как главный вектор пучка эрмитовых форм, соответствующий наибольшему характеристическому числу пучка, при определении главного вектора пучка эрмитовых форм используют информацию о направлениях ориентации основных лепестков диаграммы направленности, их относительном уровне, а также информацию о требуемых значениях фазовой диаграммы в направлениях формируемых лепестков, в связи с чем при взвешивании значений диаграммы направленности в направлениях формируемых лепестков применяют комплексные весовые множители, учитывающие требуемые значения фазовой диаграммы с противоположными знаками. Причем в качестве первой эрмитовой формы пучка выбирают квадрат модуля взвешенной суммы значений диаграммы направленности в направлениях формируемых лепестков, в качестве второй эрмитовой формы выбирают среднее значение диаграммы направленности по мощности. 2 ил.

Способ формирования многолепестковых диаграмм направленности антенной решетки, основанный на взвешивании сигналов, принятых каждым излучателем, и последующем их суммировании, при котором комплексные весовые коэффициенты находят как главный вектор пучка эрмитовых форм, соответствующий наибольшему характеристическому числу пучка, причем в качестве первой эрмитовой формы пучка выбирают квадрат модуля взвешенной суммы значений диаграммы направленности в направлениях формируемых лепестков, в качестве второй эрмитовой формы выбирают среднее значение диаграммы направленности по мощности, а при определении главного вектора пучка эрмитовых форм используют информацию о направлениях ориентации основных лепестков диаграммы направленности и их относительном уровне, отличающийся тем, что при определении главного вектора пучка эрмитовых форм используют также информацию о требуемых значениях фазовой диаграммы в направлениях формируемых лепестков, в связи с чем при взвешивании значений диаграммы направленности в направлениях формируемых лепестков применяют комплексные весовые множители, учитывающие требуемые значения фазовой диаграммы с противоположными знаками.