Адаптивная антенна Российский патент 2024 года по МПК H01Q21/00 

Изобретение относится к радиотехнике, а именно к технике антенн и может быть использовано в радиотехнических системах навигации при приеме сигналов в условиях воздействия помех.

Известна многофункциональная адаптивная антенная решетка (см., патент РФ № 2579996, H01Q 21/00, опубл. 10.04.2016, Бюл. №10), содержащую N антенных элементов, выходы которых подключены ко входам с одной стороны адаптивного процессора, а с другой - блоков комплексного взвешивания сигналов, выходы которых соединены со входами сумматора. В свою очередь выходы адаптивного процессора подсоединены к управляющим входам N блоков комплексного взвешивания сигналов.

Недостатком данной адаптивной антенной решетки являются её существенная сложность в аппаратной реализации.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству является антенна (см. Riyan Wang, Bin Li, Hongyin He, Kunming Yang, Wei Feng, Zhijian Chen, Quad-channel broadband compact multi-antenna GNSS down-converter for high-reliability navigation// Transportation Safety and Environment, Volume 5, Issue 4, September 2023, p. p. 1-7, https://doi.org/10.1093/tse/tdad029), содержащая антенную решетку 2х2, подключенную ко входу четырехканального модуля преобразования сигнала, каждый из каналов которого состоит из последовательно соединенных малошумящего усилителя, полосового фильтра, смесителя, усилителя промежуточной частоты и аналого-цифрового преобразователя, опорный генератор с системой ФАПЧ, процессор цифровой обработки сигнала, цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП), аналоговый перемножитель (АП), выход которого подключен ко входу одноантенного приемника навигационных сигналов. При этом выход опорного генератора с одной стороны подсоединен к соответствующим входам смесителей четырехканального модуля, а с другой к первому входу АП, второй вход которого подключен к выходу ЦАП.

Недостатком данной антенны является существенная сложность в аппаратной реализации. К тому же для качественного подавления помеховых сигналов необходимо обеспечить идентичность каналов модуля преобразования сигнала, что в данном случае является сложной задачей.

Техническим результатом заявленного изобретения является упрощение аппаратной реализации адаптивной антенны.

Указанный технический результат достигается тем, что в адаптивную антенну, содержащую четыре антенны, выходы которых соединены со входами соответствующих им идентичных каналов передачи сигнала, контроллер и одноантенный приемник навигационных сигналов, дополнительно введены последовательно соединенные пятая антенна и аттенюатор, сумматор, выход которого подключен к антенному входу приемника, имеющего функцию определения соотношения сигнал/шум по спектру навигационных сигналов и связанного с контроллером по цифровой линии связи, выход аттенюатора соединен с первым входом сумматора, а его второй, третий, четвертый и пятый входы - с выходами соответствующих каналов передачи сигналов, каждый из которых образован первым твердотельным СВЧ-переключателем, выход которого подключен к первому входу второго твердотельного СВЧ-переключателя через цепочку из последовательно соединенных управляемых фазовращателя и аттенюатора, второй же вход второго переключателя подключен к общей шине через резистор сопротивлением 50 Ом, в свою очередь выходы контроллера подключены к соответствующим управляющим входам переключателей, фазовращателей и аттенюаторов, входящих в состав каналов передачи сигналов, антенны представляют собой параллельные линейные вибраторы, расположенные в пространстве таким образом, что первый из них находится в центре круга с радиусом λ/4, где λ -длина рабочей волны, а остальные четыре - периферийные - размещены равномерно - с углом раствора в 45°C на окружности.

На момент подачи заявки авторами не обнаружены технические решения аналогичные или сходные отличительным признакам предполагаемого изобретения в патентах или в научно-технической литературе как в РФ, так и за границей, что позволяет сделать вывод о соответствии предлагаемого устройства всем условиям патентоспособности.

Предполагаемое изобретение поясняется чертежами:

Фиг. 1 -конструкция адаптивной антенны;

Фиг. 2 -диаграмма направленности в вертикальной плоскости адаптивной антенны на первом шаге режима адаптации;

Фиг. 3- диаграмма направленности в вертикальной плоскости адаптивной антенны в рабочем режиме.

Адаптивная антенна (Фиг. 1) содержит, пять антенн 1-5, выполненных в виде параллельных линейных вибраторов, расположенных в пространстве таким образом, что первый из них 1 находится в центре круга с радиусом λ/4, где λ -длина рабочей волны, а остальные четыре (2-5) - периферийные - размещены равномерно - с углом раствора в 45°C на окружности, аттенюатор 6, вход которого подключен к выходу центральной антенны 1, сумматор 7, выход которого подсоединен к антенному входу приемника 8, имеющего функцию определения соотношения сигнал/шум по спектру навигационных сигналов и связанного с контроллером 9 по цифровой линии связи 10, выход аттенюатора 6 соединен с первым входом сумматора 7, а его второй, третий, четвертый и пятый входы - с выходами периферийных антенн 2-5 посредством четырех одинаковых каналов передачи сигнала , где i = 1 … 4, каждый из которых образован первым твердотельным СВЧ-переключателем , выход которого подключен к первому входу второго твердотельного СВЧ-переключателя через цепочку из последовательно соединенных управляемых фазовращателя и аттенюатора , второй же вход переключателя подсоединен к общей шине через резистор сопротивлением 50 Ом. Линии и управления работой соответственно переключателей и линии и , определяющие параметры фазовращателя и аттенюатора , объединены в шину 21, подключенную к выходу контроллера 9.

Адаптивная антенна функционирует следующим образом.

Работа адаптивной антенны распадается на два этапа:

этап адаптации;

собственно рабочий режим.

В свою очередь этап адаптации выполняется за четыре шага. На первом шаге контроллер 9 устанавливает на линиях и такие уровни, что:

пара переключателей и переводится в положение, когда выход антенны 2 отключается от первого входа сумматора 7, который, в свою очередь, подсоединяется к общей шине через резистор (см. Фиг. 1);

пары переключателей и , и , и устанавливаются в положение при котором сигналы с антенн 3, 4 и 5 попадают на третий, четвертый и пятый входы сумматора 7, пройдя через соответствующую цепочку из последовательно соединенных управляемых фазовращателя и аттенюатора.

По завершении вышеперечисленных действий, формируется некий аналог антенны, известной под названием «волновой канал», в которой роль директора играет вибратор 2, активного элемента − вибратор 1, а рефлекторов − вибраторы 3−5. Наличие аттенюатора 6 обусловлено необходимостью выравнивания исходного затухания сигналов в центральном и периферийных каналах.

Далее, используя информацию о величине соотношения сигнал/шум, которая поступает по линии связи 10 с приемника 8 в контроллер 9, последний устанавливает такие величины фазового сдвига, вносимые фазовращателями , и , а также значения коэффициентов передачи аттенюаторов , и , которые максимизирует значение сигнал/шум.

По окончании данной процедуры контроллер 9 переходит к выполнению

остальных шагов, на каждом из которых повторяются операции, описанные выше, за исключением того, что от входа сумматора 7 поочередно отключается одна из оставшихся антенн 3-5, в то время как три другие периферийные антенны подключаются к соответствующим входам сумматора 7.

При этом контроллер формирует матрицу:

A=

где − фазовый сдвиг, вносимый фазовращателем на шаге адаптации ();

– коэффициент передачи аттенюатора на шаге адаптации;

− значение соответствующей величины не определено;

− величина отношения сигнал/шум полученная на шаге адаптации.

На этом завершается этап адаптации.

Далее контроллер переводит устройство в рабочий режим, когда приемник

определяет текущие координаты объекта, путем обработки аддитивной смеси полезных сигналов и помех, имеющих место на выходе сумматора 7, при условии, что контроллер, на основании анализа матрицы А, устанавливает такую конфигурацию антенной системы, которая соответствует шагу адаптации, когда была достигнута максимальная величина соотношения .

Для определения степени подавления помехи предлагаемой адаптивной антенной обратимся к Фиг. 2 и Фиг.3, на которых представлены диаграммы направленности устройства, соответствующие шагам адаптации с минимальным и максимальным значениями сигнал/шум. Как следует из Фиг. 3, удается сформировать провал в ДН в направлении на источник преднамеренных помех и достичь подавления помехи на 10 дБ.

По прошествии определенного времени контроллер 9 повторно переводит предлагаемое устройство в режим адаптации, который описан ранее. На это время приемник запоминает навигационную информацию. По завершении этапа адаптации устройство возвращается в рабочий режим. Подобная смена режимов осуществляется с периодом, величина которого зависит от динамики помеховой обстановки.

Сравнительный анализ адаптивной антенны и устройства-прототипа показывает, что предложенное устройство имеет существенно более простую структуру, т. к. не содержит в своем составе сложную систему преобразовательных каналов, которые должны быть выполнены с высокой степенью идентичности, а также не осуществляется повторное гетеродинирование с целью переноса отфильтрованных информационных сигналов на несущую частоту навигационного сигнала.

Использование: изобретение относится к радиотехнике, а именно к технике антенн и может быть использовано в радиотехнических системах навигации при приеме сигналов в условиях воздействия помех. Технический результат: упрощение аппаратной реализации адаптивной антенны. Сущность: адаптивная антенна содержит пять антенн, выполненных в виде параллельных линейных вибраторов, расположенных в пространстве таким образом, что первая из них находится в центре круга с радиусом λ/4, где λ - длина рабочей волны, а остальные четыре - периферийные - размещены равномерно - с углом раствора в 45° - на окружности, выходы которых подключены к входам сумматора, в случае центральной антенны через аттенюатор непосредственно, в случае периферийных - через соответствующие каналы передачи сигналов, каждый из которых образован первым твердотельным СВЧ-переключателем, выход которого подключен к первому входу второго твердотельного СВЧ-переключателя через цепочку из последовательно соединенных управляемых фазовращателя и аттенюатора, второй же вход второго переключателя подключен к общей шине через резистор сопротивлением 50 Ом, выход сумматора подключен к входу одноантенного приемника навигационных сигналов с функцией определения соотношения сигнал/шум по спектру принятых сигналов, управление фазовращателями, аттенюаторами, равно как и переключателями, осуществляется по линиям управления контроллером на основании информации о величине сигнал/шум, поступающей в контроллер по цифровой линии связи с приемника. 3 ил.

Адаптивная антенна, содержащая четыре антенны, выходы которых соединены с входами соответствующих им идентичных каналов передачи сигнала, контроллер и одноантенный приемник навигационных сигналов, отличающаяся тем, что дополнительно введены последовательно соединенные пятая антенна и аттенюатор, сумматор, выход которого подключен к антенному входу приемника, имеющего функцию определения соотношения сигнал/шум по спектру навигационных сигналов и связанного с контроллером по цифровой линии связи, выход аттенюатора соединен с первым входом сумматора, а его второй, третий, четвертый и пятый входы - с выходами соответствующих каналов передачи сигналов, каждый из которых образован первым твердотельным СВЧ-переключателем, выход которого подключен к первому входу второго твердотельного СВЧ-переключателя через цепочку из последовательно соединенных управляемых фазовращателя и аттенюатора, второй же вход второго переключателя подключен к общей шине через резистор сопротивлением 50 Ом, в свою очередь, выходы контроллера подключены к соответствующим управляющим входам переключателей, фазовращателей и аттенюаторов, входящих в состав каналов передачи сигналов, антенны представляют собой параллельные линейные вибраторы, расположенные в пространстве таким образом, что первый из них находится в центре круга с радиусом λ/4, где λ - длина рабочей волны, а остальные четыре - периферийные - размещены равномерно - с углом раствора в 45°C на окружности.