Способ формирования диаграммы направленности приёмной кольцевой цифровой фазированной антенной решетки Российский патент 2018 года по МПК H01Q3/00 

Изобретение относится к антенной технике, а именно к антенным системам с аппаратно-формируемой диаграммой направленности (ДН) и электронным управлением лучом, и может быть использовано в мобильных и стационарных средствах связи.

Известны способы формирования диаграммы направленности кольцевой цифровой фазированной антенной решетки с уменьшенным уровнем боковых лепестков за счет выбора кольцевых структур и размещения антенных элементов (RU №2144200 C1, G01S 3/74, 10.01.2000, Бюл. №1; RU 2310956 C1, H01Q 21/06, 20.11.2007, Бюл. №32).

Недостатком данных способов является то, что они не решают задач управления формированием ДН.

Известны способы управления формированием ДН в антенных системах с электронным управлением лучом, в которых амплитудно-фазовое распределение выходных сигналов антенных элементов устанавливают в соответствии с выбранным критерием (RU №2287880 С2, H01Q 3/26, 20.11.2006, Бюл. №32; RU №2395141 C1, H01Q 3/00, 20.07.2010, Бюл. №20). Они решают задачу управления формированием ДН в системах с линейными антенными решетками с дипольными излучателями.

Недостатками данных способов является то, что используемые в них алгоритмы не применимы к кольцевым антенным системам.

Наиболее близким к предлагаемому является способ формирования диаграммы направленности двухкольцевой цифровой фазированной антенной решетки (RU №2573715 C1, H01Q 3/00, G01S 3/14, 27.01.2016, Бюл. №3).

Способ формирования диаграммы направленности двухкольцевой цифровой фазированной антенной решетки (ЦФАР) включает: цифровую обработку СВЧ-сигнала, формирование управляющих сигналов в соответствии с данными о требуемой ДН и передачу излучателям возбуждающих сигналов с амплитудно-фазовым распределением, определенным в соответствии с выбранным критерием, амплитуды A_nm и фазы ϕ_nm возбуждающих сигналов, где n - номер излучателя, определяют, минимизируя функцию F среднеквадратического отклонения формируемой диаграммы направленности R(ϕ) от заданного распределения Е(ϕ) поля излучения антенной решетки, характеризующегося наименьшим уровнем боковых лепестков при данной ширине основного лепестка, при этом величина амплитуды A_nm не превышает 1.

Недостатком данного способа является то, что, во-первых, в нем не учитывается взаимное влияние антенных элементов, что приводит к недостаточной точности определения требуемых весовых коэффициентов, а, во-вторых, не контролируется изменение уровня чувствительности системы при амплитудно-фазовом синтезе, если система является приемной.

Задача изобретения - управление формированием диаграммы направленности в сканирующих приемных системах с кольцевой цифровой фазированной антенной решеткой.

Достигаемый технический результат - формирование сканирующих диаграмм направленности приемной системы с требуемым уровнем боковых лепестков и минимальным значением уровня чувствительности.

Технический результат достигается тем, в способе формирования диаграммы направленности приемной кольцевой цифровой фазированной антенной решетки, включающем цифровую обработку сигнала, формирование сигналов в соответствии с данными о требуемой диаграмме направленности и передачу отдельным приемным трактам сигналов с амплитудно-фазовым распределением, определенным в соответствии с выбранным критерием, согласно изобретению амплитуды А_n и фазы ϕ_{n определяют, оптимизируя два функционала: минимизируя функцию F среднеквадратического отклонения формируемой диаграммы направленности D(ϕ) от заданного распределения поля излучения антенной решетки R(ϕ), характеризующегося заданным уровнем боковых лепестков при данной ширине основного лепестка, и максимизируя функцию G, определяющую отношение сигнал/шум приемной системы, при этом оба функционала используют диаграмму направленности одного излучателя с учетом взаимного влияния элементов.}

На фиг. 1 представлена функциональная схема приемной антенной системы с кольцевой цифровой фазированной антенной решеткой, где обозначено:

1 - блок управления;

2 - устройство цифрового формирования принятого сигнала;

3 - устройства цифровой обработки сигнала;

4 - излучатели.

На фиг. 2 - парциальная диаграмма направленности одного излучателя с учетом взаимного влияния элементов; на фиг. 3 - измеренные нормированные диаграммы направленности кольцевой ЦФАР: синтезированной на основе геометрических фазовых коэффициентов (кривая 1) и синтезированная на основе предложенного алгоритма с уровнем боковых лепестков - 16 дБ (кривая 2); на фиг. 4 - измеренные сканирующие нормированные диаграммы направленности кольцевой ЦФАР, синтезированные на основе предложенного алгоритма с уровнем боковых лепестков – 16 дБ (кривая 1 - угол сканирования 180°, кривая 2 - угол сканирования 190°, кривая 3 - угол сканирования 200°, кривая 4 - угол сканирования 210°), причем уровень чувствительности увеличился лишь на 0,5 дБ.

Кольцевая ЦФАР состоит из блока управления 1, устройства цифрового формирования принятого сигнала 2, идентичных устройств цифровой обработки сигнала 3 и идентичных излучателей 4, причем число устройств цифровой обработки сигнала 3 равно числу излучателей 4.

Каждое устройство цифровой обработки 3 одним входом соединено с соответствующим излучателем 4, которые расположены на концентрической окружности с одинаковым угловым шагом, а другим - с соответствующим выходом блока управления 1. Выход каждого устройства цифровой обработки сигнала 3 соединен со входом устройства формирования принятого сигнала 2.

Блок управления 1 может быть выполнен, например, на основе процессора (RU №2516683 С9, H01Q 21/00, G01S 13/26, 27.08.2014, Бюл. №24). Устройство формирования принятого сигнала 2 может быть выполнено, например, в виде сумматора (RU №2287880 С2, H01Q 3/26, 20.11.2006, Бюл. №32). Устройство цифровой обработки сигнала 3 может быть выполнено, например, в виде умножителя (Активные фазированные антенные решетки. Под ред. Д.И. Воскресенского. М.: Радиотехника, 2004, с. 28).

Способ формирования диаграммы направленности приемной кольцевой цифровой фазированной антенной решетки осуществляется следующим образом.

Для формирования диаграммы направленности приемной кольцевой антенной решетки необходимо задание амплитудных коэффициентов А_n и фаз ϕ_n.

На вход блока управления 1 поступают данные о направлении прихода принимаемого сигнала. В памяти блока управления 1 хранятся наборы комплексных коэффициентов С_n=А_n ехр (jϕ_n), соответствующие различным направлениям приема для ЦФАР. Данные коэффициенты вычисляются с учетом взаимного влияния антенных элементов и того, что ЦФАР должна осуществлять электронное сканирование в горизонтальной плоскости с требуемым угловым шагом, обеспечивать требуемый уровень боковых лепестков и иметь минимально возможный уровень чувствительности. Это достигается за счет применения алгоритма, минимизирующего среднеквадратическое отклонение формируемой диаграммы направленности от заданной и максимизирующего отношение сигнал/шум системы. Затем коэффициенты С_n передаются на первый вход устройств цифровой обработки сигнала 3. Излучатели 4 принимают электромагнитную волну, преобразуют в сигнал и передают его на другой вход устройства цифровой обработки 3, где происходит перемножение сигнала и коэффициентов С_n. С выходов устройств цифровой обработки 3 сигналы поступают на устройство формирования принятого сигнала 2, где происходит их сложение.

Сущность алгоритма расчета коэффициентов С_n заключается в следующем.

Диаграмма направленности кольцевой антенной решетки, сфазированной под некоторым углом ϕ_c, имеет вид [Watanabe. F, Goto N., Nagayama A., Yoshida G. A pattern synthesis of circular arrays by phase adjustment // IEEE Transactions on Antenna and Propagations, 1980, vol. AP-28, No 6, p. 857-863]:

где N - число элементов в кольцевой антенной решетке, B_n(ϕ) - комплексная диаграмма направленности одного излучателя с учетом взаимного влияния элементов.

Комплексные коэффициенты С_n вычисляют при одновременном выполнении двух условий: достижения заданного уровня боковых лепестков и минимизации уровня чувствительности системы. Для этого одновременно на основе генетического алгоритма оптимизируют два функционала. Во-первых, минимизируют функцию F среднеквадратической ошибки (уклонения) диаграммы направленности D(ϕ) антенной решетки, сфазированной под некоторым углом ϕ_с от искомого распределения R(ϕ), характеризующегося заданным уровнем боковых лепестков при данной ширине основного лепестка:

где суммирование проводится по множеству углов ϕ_i, в которых уклонение диаграммы направленности от заданной должно быть минимальным. Во-вторых, максимизируют функцию G, определяющую отношение сигнал/шум приемной системы:

Примеры измеренных сканирующих диаграмм направленности приемной кольцевой цифровой фазированной антенной решетки, сформированных в соответствии с заявленным способом, а также сравнительные характеристики, подтверждающие достижение технического результата, представлены на фиг. 3, фиг. 4.

Таким образом, осуществляется формирование сканирующих диаграмм направленности приемной системы с требуемым уровнем боковых лепестков и минимальным значением уровня чувствительности.

Изобретение относится к антенной технике, а именно к антенным системам с аппаратно-формируемой диаграммой направленности и электронным управлением лучом, и может быть использовано в мобильных и стационарных средствах связи. Амплитудные А_n и фазовые ϕ_n коэффициенты формируемой диаграммы направленности рассчитываются по специальному численному алгоритму, который одновременно оптимизирует два функционала: минимизирует среднеквадратичное отклонение диаграммы направленности ЦФАР от теоретической оптимальной, учитывая при этом взаимное влияние антенных элементов (например, от синфазной ДН, математически сдвинутой на требуемый угол сканирования ϕ_с, боковые лепестки которой "искусственно" понижены до требуемого уровня), и максимизирует при этом отношение сигнал/шум всей приемной системы, которое отвечает за ее чувствительность. Технический результат - формирование сканирующих диаграмм направленности приемной системы с требуемым уровнем боковых лепестков и минимальным значением уровня чувствительности. 4 ил.

Способ формирования диаграммы направленности приемной кольцевой цифровой фазированной антенной решетки, включающий цифровую обработку сигнала, формирование сигналов в соответствии с данными о требуемой диаграмме направленности (ДН) и передачу отдельным приемным трактам сигналов с амплитудно-фазовым распределением, определенным в соответствии с выбранным критерием, отличающийся тем, что амплитуды A_n и фазы ϕ_n определяют, оптимизируя два функционала: минимизируя функцию F среднеквадратического отклонения формируемой диаграммы направленности D(ϕ) от заданного распределения поля излучения антенной решетки R(ϕ), характеризующегося заданным уровнем боковых лепестков при данной ширине основного лепестка, и максимизируя функцию G, определяющую отношение сигнал/шум приемной системы, при этом оба функционала используют диаграмму направленности одного излучателя с учетом взаимного влияния элементов.