Комбинированная адаптивная антенная решетка Российский патент 2021 года по МПК H01Q3/26 H01Q21/00 

Изобретение относится к радиотехнике и предназначено для обеспечения электромагнитной совместимости навигационной аппаратурой потребителя глобальной навигационной спутниковой системы (НАП ГНСС) и средств создания преднамеренных радиопомех, работающих на совпадающих частотах.

Известна адаптивная антенная решетка [1], содержащая N антенных элементов, блоки комплексного взвешивания сигналов, адаптивный процессор и общий сумматор, а также N полосовых фильтров, М сигнальных сумматоров и (М-1)-блоков комплексного взвешивания сигналов, а адаптивный процессор выполнен в виде совокупности М блоков формирования весовых коэффициентов, при этом полосовые фильтры установлены на выходах антенных элементов.

Известна адаптивная антенная решетка [2], содержащая антенные элементы, фазовращатели, комплексные весовые умножители, первый и второй сумматоры, блок адаптации, функциональный преобразователь, умножитель.

Недостатком данных адаптивных антенных решеток является то, что все антенные элементы выполнены с одними и теми же характеристиками и соединены с аналогичными блоками для выделения полезного сигнала.

Известна адаптивная антенная решетка [3], содержащая антенные элементы, образующие N-элементную антенную решетку, адаптивный процессор, выходы которого подключены к входам N блоков комплексного взвешивания сигналов, общий сумматор, к которому подключены выходы блоков комплексного взвешивания сигналов, выход общего сумматора подключен к адаптивному процессору, а также является выходом устройства. Все антенные элементы, образующие N-элементную антенную решетку, имеют одинаковое конструктивное исполнение и характеристики направленности и обеспечивают одинаково хороший прием как полезного навигационного сигнала, приходящего преимущественно с вертикального направления, так и помехового сигнала, приходящего преимущественно с горизонтального направления. Отсутствие пространственной дифференциации полезного навигационного сигнала и помехового сигнала в отдельных антенных элементах в процессе адаптации антенной решетки приводит не только к подавлению помехового сигнала, но и к деградации полезного сигнала за счет его фазовых искажений в блоках комплексного взвешивания сигналов, что является причиной снижения отношения сигнал/помеха на выходе адаптивной антенной решетки.

Целью изобретения является повышение отношения сигнал/помеха на выходе адаптивной антенной решетки.

Поставленная цель достигается тем, что в известное устройство, содержащее N антенных элементов, образующих антенную решетку, диаграммообразующую схему, состоящую из N блоков комплексного взвешивания сигналов, адаптивного устройства и сумматора имеющие между собой связи, выходы N антенных элементов соединены с диаграммообразующей схемой, где каждый выход антенного элемента соединен с входом соответствующего блока комплексного взвешивания сигнала и с входом адаптивного устройства, выходы адаптивного устройства соединены с входом соответствующего блока комплексного взвешивания сигнала, выходы блоков комплексного взвешивания сигналов соединены с входами суммирующего устройства, выход сумматора соединен с входом адаптивного устройства также является выходом диаграммообразующей схемы, дополнительно введены в антенную решетку K антенных элементов, при этом N антенных элементов размещены по кругу от центра и имеют диаграммы направленностей с минимумом в вертикальной плоскости и максимумом в горизонтальной плоскости, K антенных элементов расположены в центральной части и имеют диаграммы направленностей, близкие к равномерной в верхней полусфере, диаграммообразующие схемы до количества K, K сумматоров и итоговая диаграммообразующая схема, имеющие между собой, выходы, N антенных элементов соединены с входами K диаграммообразующих схем, выход каждой диаграммообразующей схемы соединен с входом соответствующего внешнего сумматора, второй вход, которого соединен с K антенным элементом, выход каждого внешнего сумматора соединен с входами итоговой диаграммообразующей схемы, выход которой является выходом комбинированной адаптивной антенной решетки.

Сущность изобретения поясняется рисунками, где на фиг. 1 приведена структурная схема комбинированной адаптированной антенной решетки, на фиг. 2 приведена схема размещения антенных элементов, где в качестве примера содержит пять центральных антенных элементов, имеющих диаграмму направленности, близкую к равномерной в верхней полусфере и шесть периферийных антенных элементов размещенных по кругу равноудаленно от центра, имеющих диаграмму направленности с минимумом в вертикальной плоскости и максимумом в горизонтальной плоскости, на фиг. 3 приведена диаграмма направленности в вертикальной плоскости для периферийных антенных элементов, на фиг. 4 приведена диаграмма направленности в вертикальной плоскости для центральных антенных элементов, на фиг. 5 приведена таблица параметров навигационных сигналов и помеховых сигналов, используемых при моделировании, на фиг. 6 приведен отклик фильтра, согласованного с навигационными сигналами, подключенного к выходу адаптивной антенной решетки (на фиг. 1 не показан) на навигационные сигналы в отсутствии помехового сигнала до компенсации, показан график отклика согласованного фильтра, подключенного к выходу центрального антенного элемента антенной решетки (на фиг. 1 не показан), на принимаемую смесь полезного сигнала и помехового сигнала, на фиг. 7 приведен отклик согласованного фильтра на смесь навигационных сигналов и помеховых сигналов в отсутствии компенсации, для сравнения приведен отклик того же фильтра на принимаемый полезный сигнал, на фиг. 8 приведен отклик согласованного фильтра на смесь навигационных сигналов и помеховых сигналов после компенсации, приведен график отклика согласованного фильтра, подключенного к выходу второго сумматора антенной решетки (на фиг. 2 не показан), на смесь полезного сигнала и помехового сигнала после адаптации антенной решетки.

Комбинированная адаптивная антенная решетка состоит из антенной решетки 1, диаграммообразующих схем 2.1, 2.2, …, 2.K, где K количественный показатель, внешних сумматоров 3.1, 3.2, …, 3.K, итоговой диаграммообразующей схемы 4.

Антенная решетка 1 содержит периферийные антенные элементы 1.1₁, 1.1₂, …, 1.1_N, где N количественный показатель, размещенные по кругу равноудаленно от центра (фиг. 2) имеющие диаграмму направленности с минимумом в вертикальной плоскости и максимумом в горизонтальной плоскости (см. фиг. 3) и антенные элементы 1.2₁, 1.2₂, …, 1.2_K, расположенные в центральной части, имеющие диаграмму направленности, близкую к равномерной в верхней полусфере.

Диаграммообразующие схемы 2.1, 2.2, …, 2.K имеют одинаковое конструктивное решение, которое рассмотрим на примере диаграммообразующей схемы 2.1, состоящей из блоков комплексного взвешивания сигналов 2.1.1₁, 2.1.1₂, …, 2.1.1_N, адаптивного устройства 2.1.2, сумматора 2.1.3.

Итоговая диаграммообразующая схема 4 состоит из блоков комплексного взвешивания сигналов 4.1₁, 4.1₂, …, 4.1_K, адаптивного управления 4.2, сумматора 4.3.

Комбинированная адаптивная антенная решетка имеет следующие связи между собой.

Выходы периферийных антенных элементов 1.1₁, 1.1₂, …, 1.1_N соединены с входами диаграммообразующих схем 2.1, 2.2, …, 2.K, где в каждой (рассмотрим на примере диаграммообразующей схемы 2.1) выход периферийного антенного элемента 1.1₁ соединен с входом блока комплексного взвешивания сигналов 2.1.1₁ и адаптивным устройством 2.1.2, выход периферийного антенного элемента 1.1₂ соединен с входом блока комплексного взвешивания сигналов 2.1.1₂ и адаптивным устройством 2.1.2, …, выход периферийного антенного элемента 1.1_N соединен с входом блока комплексного взвешивания сигналов 2.1.1_N и адаптивным устройством 2.1.2. Выходы адаптивного устройства 2.1.2 соединены с входами блоков комплексного взвешивания сигналов 2.1.1₁, 2.1.1₂, …, 2.1.1_N, выходы которых соединены с сумматором 2.1.3. Выход сумматора 2.1.3 является выходом диаграммообразующей схемы 2.1.

Выход диаграммообразующей схемы 2.1 соединен с входом внешнего сумматора 3.1, другой его вход соединен с выходом антенного элемента 1.2₁. Выход диаграммообразующей схемы 2.2 соединен с входом внешнего сумматора 3.2, другой его вход соединен с выходом антенного элемента 1.2₂. Выход диаграммообразующей схемы 2.K соединен с входом внешнего сумматора 3.K, другой его вход соединен с выходом антенного элемента 1.2_K.

Выход внешнего сумматора 3.1 соединен с соответствующим входом итоговой диаграммообразующей схемы 4 и с входом диаграммообразующей схемы 2.1 (входом адаптивного устройства 2.1.2).

Выход внешнего сумматора 3.2 соединен с соответствующим входом итоговой диаграммообразующей схемы 4 и с входом диаграммообразующей схемы 2.2 переходящего во вход блока адаптивного управления (на фиг. 1 не показано).

Выход внешнего сумматора 3.K соединен с соответствующим входом итоговой диаграммообразующей схемы 4 и с входом диаграммообразующей схемы 2.K переходящего во вход блока адаптивного управления (на фиг. 1 не показано).

В итоговой диаграммообразующей схеме 4 вход от внешнего сумматора 3.1 соединен с входом блока комплексного взвешивания сигналов 4.1₁ и с входом адаптивного управления 4.2, вход от внешнего сумматора 3.2 соединен с входом блока комплексного взвешивания сигналов 4.1₂ и с входом адаптивного управления 4.2, вход от внешнего сумматора 3.K соединен с входом блока комплексного взвешивания сигналов 4.1_K и с входом адаптивного управления 4.2.

Выходы адаптивного управления 4.2 соединены с входами блоков комплексного взвешивания сигналов 4.1₁, 4.1₂, …, 4_K, выходы которых соединены с соответствующими входами сумматора 4.3.

Выход сумматора 4.3 соединен с входом адаптивного управления 4.2 и также является выходом устройства.

Комбинированная адаптивная антенная решетка работает следующим образом.

На антенную решетку 1 поступают навигационные сигналы и помеховые сигналы. Антенные элементы 1.1₁, 1.1₂, …, 1.1_N, принимают в основном помеховые сигналы и частично навигационные сигналы отправляют их в диаграммообразующие схемы 2.1, 2.2, …, 2.K, которые, рассмотрим на примере диаграммообразующей схемы 2.1, поступают в блоки комплексного взвешивания сигналов 2.1.1₁, 2.1.1₂, …, 2.1.1_N, и в адаптивное устройство 2.1.2.

Адаптивное устройство 2.1.2 получив помеховые сигналы и частично навигационные сигналы производит расчет вектора весовых коэффициентов W(t) и передает их в блоки комплексного взвешивания сигналов 2.1.1₁, 2.1.1₂, …, 2.1.1_N.

Блоки комплексного взвешивания сигналов 2.1.1₁, 2.1.1₂, …, 2.1.1_N, получив от антенных элементов 1.1₁, 1.1₂, …, 1.1_N помеховые сигналы и частично навигационные сигналы а от адаптивного устройства 2.1.2 вектор весовых коэффициентов W(t), формирует компенсирующие помеховые сигналы и передают их в сумматор 2.1.3.

Сумматор 2.1.3 диаграммообразующей схемы 2.1 получив компенсирующие помеховые сигналы, формирует результирующий компенсирующий сигнал y₁(t), который с отрицательным знаком передается в сумматор 3.1.

Диаграммообразующая схема 2.2 передает сформированный результирующий компенсирующий сигнал y₂(t) с отрицательным знаком в сумматор 3.2.

Диаграммообразующая схема 2.K передает сформированный результирующий компенсирующий сигнал y_K(t) с отрицательным знаком в сумматор 3.K.

Антенные элементы 1.2₁, 1.2₂, …, 1.2_K антенной решетки 1 принимает навигационные сигналы и помеховые сигналы и передают их во внешние сумматоры 3.1, 3.2, …, 3.K с положительным знаком. Причем антенный элемент 1.2₁ передает навигационные и помеховые сигналы во внешний сумматор 3.1, антенный элемент 1.2₂ передает навигационные и помеховые сигналы во внешний сумматор 3.2, антенный элемент 1.2_K передает навигационные и помеховые сигналы во внешний сумматор 3.K.

Внешний сумматор 3.1, получив сигналы антенного элемента 1.2₁ антенной решетки 1 и результирующий компенсирующий сигнал y₁(t) от диаграммообразующей схемы 2.1 формирует выходной сигнал s₁(t), который передается в адаптивное устройство 2.1.2 диаграммообразующей схемы 2.1, в итоговую диаграммообразующую схему 4 непосредственно в блок комплексного взвешивания сигналов 4.1₁ и в адаптивное устройство 4.2.

Внешний сумматор 3.2, получив сигналы антенного элемента 1.2₂ антенной решетки 1 и результирующий компенсирующий сигнал y₂(t) от диаграммообразующей схемы 2.2 формирует выходной сигнал s₂(t), который передается в адаптивное устройство (на фиг. 1 не показано) диаграммообразующей схемы 2.2, в итоговую диаграммообразующую схему 4 непосредственно в блок комплексного взвешивания сигналов 4.1₂ и в адаптивное устройство 4.2.

Внешний сумматор 3.K, получив сигналы антенного элемента 1.2_K антенной решетки 1 и результирующий компенсирующий сигнал y₂(t) от диаграммообразующей схемы 2.K формирует выходной сигнал s_K(t), который передается в адаптивное устройство (на фиг. 1 не показано) диаграммообразующей схемы 2.K, в итоговую диаграммообразующую схему 4 непосредственно в блок комплексного взвешивания сигналов 4.1_K и в адаптивное устройство 4.K.

Адаптивное устройство 2.1.2 диаграммообразующей схемы 2.1 получив сигнал s₁(t) от внешнего сумматора 3.1 и вновь поступающие помеховые сигналы и частично навигационные сигналы от антенных элементов 1.1₁, 1.1₂, …, 1.1_N, производит корректировку вектора весовых коэффициентов W(t) и передает их в блоки комплексного взвешивания сигналов 2.1.1₁, 2.1.1₂, …, 2.1.1_N.

Блоки комплексного взвешивания сигналов 2.1.1₁, 2.1.1₂, …, 2.1.1_N, получив от антенных элементов 1.1₁, 1.1₂, …, 1.1_N помеховые сигналы и частично навигационные сигналы а от адаптивного устройства 2.1.2 откорректированные вектора весовых коэффициентов W(t), формируют более чистые компенсирующие помеховые сигналы и передают их в сумматор 2.1.3.

Сумматор 2.1.3, получив более чистые компенсирующие помеховые сигналы, формирует более чистый результирующий компенсирующий сигнал y₁(t), который с отрицательным знаком передается во внешний сумматор 3.1.

Так же формируют белее чистые результирующие компенсирующие сигналы y₂(t), …, y_K(t) диаграммообразующие схемы 2.2, …, 2.K, которые с отрицательным знаком передаются во внешние сумматоры 3.2, …, 3.K.

Внешние сумматоры 3.1, 3.2, …, 3.K, получив сигналы от соответствующих антенных элементов 1.2₁, 1.2₂, …, 1.2_K антенной решетки 1 и результирующие компенсирующие сигнал y₁(t), y₂(t), …, y_K(t) от соответствующих диаграммообразующих схем 2.1, 2.2, …, 2.K, формируют выходные сигналы s₁(t), s₂(t), …, s_K(t), которые передается в адаптивное устройство соответствующей диаграммообразующей схемы 2.1, 2.2, …, 2.K в соответствующий вход итоговой диаграммообразующей схемы 4 непосредственно в блоки комплексного взвешивания сигналов 4.1₁, 4.1₂, …, 4_K и в адаптивное устройство 4.2.

Сформированные выходные сигналы s₁(t), s₂(t), …, s_K(t), от внешних сумматоров 3.1, 3.2, …, 3.K, поступают в блоки комплексного взвешивания сигналов 4.1₁, 4.1₂, …, 4_K и в адаптивное устройство 4.2 итоговой диаграммообразующей схемы 4.

Адаптивное устройство 4.2 получив сигналы s₁(t), s₂(t), …, s_K(t), от внешних сумматоров 3.1, 3.2, …, 3.K, производит расчет вектора весовых коэффициентов W(t) передает их в блоки комплексного взвешивания сигналов 4.1₁, 4.1₂, …, 4_K.

Блоки комплексного взвешивания сигналов 4.1₁, 4.1₂, …, 4_K получив от внешних сумматоров 3.1, 3.2, …, 3.K сигналы s₁(t), s₂(t), …, s_K(t), а от адаптивного устройства 4.2 вектор весовых коэффициентов W(t), формируют компенсирующие помеховые сигналы и передают их в сумматор 4.3.

Сумматор 4.3 итоговой диаграммообразующей схемы 4, получив компенсирующие помеховые сигналы, формирует результирующий, чистый выходной сигнал s(t), который содержит в основном навигационные сигналы и передает потребителю и в адаптивное устройство 4.2

Адаптивное устройство 4.2 итоговой диаграммообразующей схемы 4 получив сигнал s(t) от сумматора 4.3 и вновь поступающие сигналы 3.1, 3.2, …, 3.K, от внешних сумматоров 3.1, 3.2, …, 3.K, производит корректировку вектора весовых коэффициентов W(t) и передает их в блоки комплексного взвешивания сигналов 4.1₁, 4.1₂, …, 4_K.

Блоки комплексного взвешивания сигналов 4.1₁, 4.1₂, …, 4_K получив от внешних сумматоров 3.1, 3.2, …, 3.K сигналы s₁(t), s₂(t), …, s_K(t), а от адаптивного устройства 4.2 откорректированные вектора весовых коэффициентов W(t), формируют более чистые компенсирующие помеховые сигналы и передают их в сумматор 4.3.

Сумматор 4.3, получив более чистые компенсирующие помеховые сигналы, формирует результирующий, чистый выходной сигнал s(t), который содержит в основном навигационные сигналы и передает потребителю и в адаптивное устройство 4.2.

При моделировании комбинированной адаптивной антенной решетки подаются три навигационных сигнала и помеха.

В качестве сигналов используются фазоманипулированные сигналы с расширением спектра М-последовательностью длиной 1023 дискрета с 10 цифровыми отсчетами на дискрете. В качестве помехи используется фазоманипулированный сигнал с расширением спектра М-последовательностью длиной 511 дискретов. Параметры навигационных сигналов и помехи на входе комбинированной адаптивной антенной решетки приведены в Таблице фиг. 5.

Из таблицы следует, что уровень помехи на входе антенной решетки превышают уровень сигнала более, чем в 60 раз.

На фиг. 6 приведен отклик фильтра согласованного с навигационными сигналами, подключенного к выходу адаптивной антенной решетки (на фаг. 1 не показан) на навигационные сигналы в отсутствии помехи до компенсации.

На фиг. 7 приведен отклик согласованного фильтра на смесь навигационных сигналов и помехи в отсутствии компенсации.

На фиг. 8 приведен отклик согласованного фильтра на смесь сигналов и помехи после компенсации, на котором видно, что после компенсации уровень помехи ниже уровня сигналов в 6-8 раз. То есть отношение сигнал/помеха после компенсации увеличилось более, чем в 100 раз.

Таким образом, предлагаемая комбинированная адаптивная антенная решетка позволяет компенсировать помехи, приходящие с направлений, близких к азимутальному, превышающие уровень полезных навигационных сигналов и выделять навигационные сигналы.

Источник информации

1. Патент 2466482 РФ, МПК H01Q 3/26, H01Q 21/00. Адаптивная антенная решетка / Д.Д. Габриэльян, А.Н. Новиков, В.А. В.В. Шацкий, Н.В. Шацкий (RU); Габриэльян Дмитрий Давидович (RU), Новиков Артем Николаевич (RU), Шацкий Виталий Валентинович (RU), Шацкий Николай Витальевич (RU). - №2011110018/07; Заявлено 16.03.2011; Опубл. 18.011.2012, Бюл. 31. - 20 с.: 13 ил.

2. Патент 2014680 РФ, МПК H01Q 21/00. Адаптивная антенная решетка / Н.А. Гусев и др. (RU); ВОЕННАЯ АКАДЕМИЯ СВЯЗИ (RU). - №914916922; Заявлено 05.03.1991; Опубл. 27.09.2000. - 4 с.: 1 ил.

3. Патент 2683140 РФ, МПК H01Q 3/26. Адаптивная антенная решетка / А.Н. Новиков и др. (RU); Новиков Артем Николаевич (RU). - №2018120194; Заявлено 31.05.2018; Опубл. 26.03.2019, Бюл. 9. - 20 с.: 11 ил.

Изобретение относится к радиотехнике и предназначено для обеспечения электромагнитной совместимости навигационной аппаратуры потребителя глобальной навигационной спутниковой системы (НАП ГНСС) и средств создания преднамеренных радиопомех, работающих на совпадающих частотах. Техническим результатом является повышение отношения сигнал/помеха на выходе адаптивной антенной решетки. Технический результат достигается тем, что в антенную решетку, содержащую N антенных элементов, образующих антенную решетку, диаграммообразующую схему, состоящую из N блоков комплексного взвешивания сигналов, адаптивного устройства и сумматора, имеющих между собой связи, в отличие от прототипа, введены в антенную решетку К антенных элементов, при этом N антенных элементов размещены по кругу от центра и имеют диаграмму направленности с минимумом в вертикальной плоскости и максимумом в горизонтальной плоскости, К антенных элементов расположены в центральной части и имеют диаграмму направленности, близкую к равномерной в верхней полусфере, диаграммообразующие схемы до количества К, К сумматоров и итоговая диаграммообразующая схема, имеющие между собой связи. 8 ил.

Комбинированная адаптивная антенная решетка, содержащая N антенных элементов, образующих антенную решетку, диаграммообразующую схему, состоящую из N блоков комплексного взвешивания сигналов, адаптивного устройства и сумматора, имеющих между собой связи: выходы N антенных элементов соединены с диаграммообразующей схемой, где каждый выход антенного элемента соединен с входом соответствующего блока комплексного взвешивания сигнала и с входом адаптивного устройства, выходы адаптивного устройства соединены с входами соответствующих блоков комплексного взвешивания сигнала, выходы блоков комплексного взвешивания сигналов соединены с входами суммирующего устройства, выход сумматора также является выходом диаграммообразующей схемы, отличающаяся тем, что дополнительно введены в антенную решетку К антенных элементов, при этом N антенных элементов размещены по кругу от центра и имеют диаграмму направленности с минимумом в вертикальной плоскости и максимумом в горизонтальной плоскости, К антенных элементов расположены в центральной части и имеют диаграмму направленности, близкую к равномерной в верхней полусфере, диаграммообразующие схемы до количества К, К сумматоров и итоговая диаграммообразующая схема, имеющие между собой следующие связи: выходы N антенных элементов соединены с входами К диаграммообразующих схем, выход каждой диаграммообразующей схемы соединен с входом соответствующего внешнего сумматора, второй вход которого соединен с соответствующим антенным элементом из множества К, выход каждого внешнего сумматора соединен с входом адаптивного устройства соответствующей диаграммообразующей схемы, при этом выход каждого внешнего сумматора также соединен с входами итоговой диаграммообразующей схемы, выход которой является выходом комбинированной адаптивной антенной решетки.