Способ синтеза диаграммы направленности широкополосной антенны с нулями в заданных направлениях Советский патент 1992 года по МПК H01Q21/00 

Изобретение относится к антенной технике и может быть использовано в гидролокации.

Цель изобретения- повышение помехо-; защищенности при воздействии широкопо- лосных помех со стационарным и нестационарным спектром.

Сущность способа синтеза диаграммы направленности широкополосной антенны с нулями в заданных направлениях состоит в том, что широкополосные сигналы, принятые антенной решеткой, подвергают последовательно дискретным сверткам и разделению в каналах по правилу вычисления определителя матричного оператора размерности NxN.

В первой строке матричного оператора располагают Z-преобразования дискретной свертки сигнала в пространственной области, формирующие диаграммы направленности антенной решетки, в остальных N-1 строках матричного оператора, соответствующих N-1 нулям диаграммы направленности, - Z-преобразования дискретной свертки сигнала во временной области, формирующие передаточные функции транс- версальных фильтров. При этом широкополосные сигналы с выходов антенной решетки подвергают дискретной свертке в пространственной области с помощью N-лучевой диаграммообразующей схемы, соответствующей N элементам первой строки матричного оператора. После этого сигСЬ(Л СО СЛ

налы с каждого выхода N-лучевой диаграм- мообразующей схемы разделяют на N-1 каналов, в которых сигнал подвергают дискретной свертке во временной области (фильтрации), соответствующей элементам первых строк алгебраических дополнений размерности (N-1)x(N-1), которые также раскрывают по.правилу вычисления детерми- нанта, т.е. после каждой дискретной свертки сигнала производят разделение сигнала на N-2 каналов и т.д. до полного раскрытия детерминанта матричного оператора. После этого выходные сигналы на выходе всех каналов суммируют.

Способ синтеза одного нуля в широкополосной диаграмме направленности осуществляют следующим образом.

Плоский фронт волны источника широкополосной помехи Xoi(t), приходящей с направления Q01, отсчитываемого от нормали к поверхности АР, падает на раскрыв эквидистантной N-элементной линейной антенной решетки, причем на каждом выходе 1-го антенного элемента сигнал помехи Xon(t - ton) задержан относительно первого элемента АР на величину пространственной

межэлементной задержки гон (I - 1) - х

sin Obi, где d - межэлементное расстояние, С - скорость распространения фронта волны в среде.

Выходные сигналы элементов АР могут быть представлены в виде вектора-столбца Xon(t) Xoi2(t-roi) Xoi(t) :: i

Xoii(t-roi) (1-1);: (1)

XoiN-l(t -T01 (I -1)I i

d .

гдетот sin ftjoi;

t - время;

Xoii - сигнал от помехи на l-м антенном элементе.

Выходные сигналы АР поступают на ди- аграммообразующую схему.

В диаграммообразующей схеме для усановки максимума диаграммы направ- е н но сти в направлениях «т 1, т2 соответственно сигналы от -х антенных элементов задерживаются на величину mi(l-1)nTm2(l-1).

оd .d

Задержки Ты -Q Sin «ml ,Гт2 -Q X

sin сггп2 определяют направление максимумов 1-й и 2-й диаграмм направленности mi,2m2 в пространство.

Над выходными сигналами первого и второго лучей диаграммообразующей схемы выполняют дискретную свертку в пространстве.

В общем случае для формирования N-1

нуля в N-лучевой диаграммообразующей

схеме необходима осуществить матричное

преобразование сигнала следующего вида:

) F2(ZoiZm2)...FN(Z(l6ZmN) (Zt0(Zm1) fe (.2)...N(ZЈ0, ZmN) ФИг Zm1) .Zm2)...((.(ZmN

Тогда Z-преобразование выходного сигнала имеет вид X(Z) det I I K(Z) I I X(Z) x

N

xlFi(Z i 1

oiZmi

)Gi).

где Gi (-1) +1Mii (Mis - миноры матрицы К).

) - Z - преобразования дискретной свертки сигнала на выходе i-ro луча диаграмообразующей схемы (i-я диаграмма направленности в пространственной области (а, «mi) .

Фк{2 ) - Z - преобразование сигнала во временной области (ты, гтк) совпадающее для выделенного направления на i-ю помеху а а0 с Z-преобразованием дискретной свертки сигнала в пространственг(М)

ной области (оы, «тк).

CZfc4J-F fr™) (

где N - число элементов АР (для многолуче- вой диаграмообразующей схемы);

z«o;z mtt exp {-jkd ( sinofei - Sin «тк) exp {-ju3(T0i - Гтк)}

exp {-jtor0i} exp {j со Гтк}; / ,T z - преобразования

операторов задержек в пространственной («Ы, «тк) и во временной (ты, гтк) областях. При совпадении угла ас заданным направлением на i-й нуль Оо в матрице I I K(Z) I I (1+1)-я строка совпадает с первой и передаточная функция системы det I I K(Z)| I обращается в нуль для направления ,j, формируя нуль в диаграмме направленности.;

Поскольку в матрице NxN возможно N-1 совпадений строк при изменении текущего угла и, то таким образом может быть сформировано N-1 широкополосных нулей в диаграмме направленности во всей полосе

рабочих частот в направлениях «&, СД)2

ОДм-1, причем положение этих нулей зависит

только от N-1 переменных Тот, TQ2том-1,

соответствующих межэлементным задержкам плоских фронтов волн от источников широкополосных помех, приходящих с направлений OQI, С5о2,.../Д)м-1. Таким образом, при изменении углового положения i-ro нуля изменяется только (1+1)-я строка матричного оператора ||K(Z)||.

На фиг.1 приведена блок-схема устройства с одним нулем диаграммы направленности; на фиг,2 - блок-схема фильтра; на фиг.З - блок-схема диаграммообразующей устройства с двухлучёвой антенной решеткой; на фиг.4 - блок-схема устройства с двумя нулями в диаграмме направленности; на фиг.5 - блок-схема диаграммообразующей устройства; на фиг.6 - блок-схема фильтров; на фиг.7 - диаграмма направленности устройства с одним нулем; на фиг,8 - диаграмма направленности устройства с двумя нулями.

Пример реализации устройства для синтеза одного нуля диаграммы направленности в широкой полосе частот приведен на фиг.1. Устройство состоит из линейной эквидистантной решетки 1 равномерным амплитудным распределением,подключенной к диаграммообразующей схеме 2, выходы которой подключены к фильтрам 3, выходы которых подключены к клеммам + и - сумматора 4, выполненного, например на операционном усилителе, выход- которого является выходом устройства. Входы 5 и 6 устройства подключены к управляющим входам диаграммообразующей схемы 2 и фильтров 3, а вход 7 - к управляющим входам фильтров.

Блок-схема фильтров приведена на фиг.2.Вход 3 подключен к линиям 9 задержек (выполненным, например, на приборах с зарядовой связью), подключенным к усилителям 10 (реализуемым, например, на МОП-транзисторах), подключенным к сумматору 11 (выполненного, например, на операционном усилителе), выход 12 которого является выходом фильтра, два управляющих входа 13 и 14 подключены к операционному усилителю 15, выход которого подключен к входу формирователя 16 модульной функции, выход которого подключен к входу перестраиваемого генератора 17 тактовых импульсов (ПГТИ), выход которого подключен к управляющим входам перестраиваемых линий 9 задержек.

На фиг.З приведена блок-схема диаграммообразующей схемы 2. Антенная решетка 1 подсоединена к усилителям 18, подключенным к сумматорам 19, выходы которых подключены к входу линий 20 задержек. Выходы 5 и 6 подключены к соответствующим входам перестраиваемого генератора 21 тактовых импульсов, выходы которых подключены к управляющим входам линий 20 задержек. Выходы линеек

сумматоров 19 являются выходами диаграммообразующей схемы 2.

Устройство для синтеза двух широкополосных модулей (фиг.4) состоит из линейной

эквидистантной решетки 22, подключенной к диаграммообразующей схеме 23. К диаграммообразующей схеме 23 подключены входы 25-27 устройства, а к блоку 24 фильтров - входы 25-29 устройства.

0Диаграммообразующая схема 23, блоксхема которой приведена на фиг.5, состоит из линеек весовых усилителей 30, подключенных к антенной решетке 22, выходы которых подключены к входам сумматоров 31,

5 другой вход которых подключен к входу ли- ний 32 задержек, к управляющему входу которых подключены перестраиваемые генераторы 33 тактовых импульсов, выходы которых подключены к входам 25-27 уст0 ройства. Выходы линеек сумматоров 31 являются выходами диаграмообразующей схемы 23.

На фиг.6 приведена блок-схема блока 24 фильтров. Входы блока 24 подключены к

5 выходам диаграммообразующей схемы 23, подключенным к фильтрам 34. Первый выход диаграммообразующей схемы подключен к фильтрам с управляющими входами подключенными к входам 28, 26 и 28, 27

0 устройства, подключенным к входам фильтров с управляющими входами, подключенными к входам 29, 27 и 29, 26 устройства, входы которых соответственно подключены к клеммам + и - вычитающего устройства

5 35, выход которого подключен к сумматору 36.

К второму выходу диаграмообразующей схемы 23 подключены фильтры с управляющими входами, подключенными к входам

0 28, 27 и 28, 25 устройства, подключенные к фильтрам с управляющими входами, подключенными к входам 29, 25 и 29, 27 устройства, выходы которых соответственно подключены к клеммам + и - вычитающе5 го устройства 35. подключенного к входу сумматора 36.

Третий выход диаграммообразующей схемы 23 подключен к фильтрам 34 с управляющими входами 28, 25 и 28, 27, подклю0 ченным соответственно к фильтрам с управляющими входами 29, 27 и 29, 25, подключенным соответственно к клеммам + и - вычитателя 35, выход которого подключен к входу сумматора 36, выход которого

5 является выходом устройства.

Устройство по фиг.1 работает следующим образом.

На входы 5 и 6 устройства подаются управляющие напряжения, которые с помощью перестраиваемого генератора 21

тактовых импульсов устанавливают в линиях 20 задержек задержки, устанавливающиемаксимумыдиаграммынаправленности двухлучевой диаграммообразующей схемы 2 в направлениях оы, (Xmi. Задержки в i-м антенном канале для первого луча двухлучевой диаграммообразующей схемы 2 равны

(Ы) rmi (i-1) - sinctmi,

где i - номер антенного элемента;

ты - задержка фронта волны между соседними элементами;

d - межэлементное расстояние;

С - скорость распространения фронта волны в среде.

Для второго луча диаграммообразующей схемы 2 задержка для i-ro антенного элемента в линии 20 задержки равна (И) тт2

(i-1) - sin «m2, где Гт2 - задержка между

двумя соседними элементами для формирования диаграммы направленности с максимумом в направлении ат2. На вход 7 устройства подается управляющее напряжение, пропорциональное сдм направлению нуля широкополосной диаграммы направленности. Плоский фронт волны источника широкополосного сигнала X(t), при- ходящего с направления«оч,

отсчитываемого от нормали в АР, падает на раскрыв эквидистантной линейной антенной решетки. В каждом антенном элементе появляется сигнал X(t), задержанный относительно соседнего антенного канала на величину пространственной межэлементной

задержки TOT - sin 001. На выходах сумматоров первого и второго лучей диаграммообразующей схемы 2 присутствует свертка сигнала X(t)

F(Zo6ZmK) Eexp{-j(i-1)kd x

i 1

N

х (sin ODI - sin «mK)} 5) exp {-j (i-1) x

1

H

x ft) -p. (sin «Di - sin «mK)} 2 exp ьi 1

{-j(M)ft) ()} Ј (Z01 ZmK)1 i 1

-1

где N - число элементов в АР;

К - номер луча диаграммообразующей схемы;

Т межэлементная задержка для фронта волны, падающего на раскрыв АР с направления осп;

ZoiofexpHwro-i);

0

5

0

5

0

5

0

5

0

5

Zmic exp(-j ШГтк);

Z0(o), ZmK - передаточные функции задержек Г01, Ттк ,

В фильтрах 3 устанавливается дискрет задержек, равный для фильтра, подключенного к первому лучу диаграммообразующей схемы:

(Sin «31 - Sin «m2) (Г01 - Tm2),

для фильтра, подключенного к выходу второго луча диаграммообразующей схемы:

ГФ2. С sin ГД)1 sin °т Г°1 Для этого на вход 13 фильтра 3 на выходе первого луча диаграммообразующей схемы 2 подается управляющий сигнал с входа

6устройства, пропорциональный Тт2, а на вход 14 - управляющий сигнал с входа 7 .устройства, пропорциональный TOL Сигнал с клемм 13 и 14 подается на вычитатель 15 и формирователь 16 модульной функции. На входе перестраиваемого генератора 17 тактовых импульсов появляется управляющий

СИГнаЛ, ПрОПОрЦИОНалЬНЫЙ Г(р2(Т01 - Тт2).

В результате в фильтре 3, подключенном к выходу первого луча диаграммообразующей схемы 2, формируется задержка с дискретом . На вход 13 фильтра 3 на выходе второго луча диаграммообразующей схемы 2 подается сигнал с управляющего входа 5, пропорциональный Tmi, а с входа

7-сигнал, пропорциональный TOL После вычитания на вычитателе 15 этих управляющих сигналов в формирователе 16 модульных функций формируется модульная функция, перестраиваемый генератор 17 тактовых импульсов формирует задержки Тф (TOI - Tmi). При этом выполняются условия совпадения передаточных функций диаграммообразующей схемы и фильтров:

F1() () F2() I(ZrfeZm2) j « «01

где 2 exp (-j w rK) exp (- jw - sin a)..

Передаточная функция устройства имеет вид

) F2() KH det

I l{ZVe,Zm1)(Zlb,Zm2) Fl() ) - F2{Z.tZm2)

) 0/a.«Di.

Таким образом, для направления а «01 в диаграмме направленности устройства синтезируется широкополосный нуль.

Плоский фронт волны, попадая на.антенную решетку 22, на выходе диаграммообразующей схемы 23 формирует три диаграммы направленности

Рк(«,«тк) FK () J () 1 N

2 exp Н( Tmi)

i 1

где пространственная межэлементная задержка, зависящая от текущего угла а;

Ттк -межэлементная задержка в линии 32 задержек;

К - номер луча диаграммообразующей схемы, К 1, 2,3;

(-jwrJ;

ZmK exp (+j 0) Ттк).

Положение максимумов диаграммы направленности в диаграммообразующей схеме 23 «mi, %п2,. «тЗ устанавливается с помощью управляющих напряжений на входах 25-27 устройства, подключенных к перестраиваемому генератору 33 тактовых импульсов, формирующих задержки Гт1, Tm2, ТтЗ на линиях 32 задержек:

Sin Г/гпк; К 1,2,3.

С выхода диаграммообразующей схемы сигнал попадает на блок 24 фильтров.

Формула раскрытия детерминанта, описывающего передаточную функцию устройства, следующая:

Fl(Zm1) ) ) J

K(Z) det Јi(ZoiZmi)I 2(ZoiZm2) K(ZoiZm3)J

|Ф l(Zo2Zm1 2(Zo2Zm2) Ф3 (Zo2Zm3) I Fl&Zm1)(()(Zo2Zm3)(ZoiZm3) Ф2 (Zo2Zm2)) - F2(ZЈm2) X x(cDl(ZoiZm1) (Zo2Zm3) -Фз (ZoiZmS) (Zo2Zin1)) + F3 X

x () №(ZoiZm1) fc(ZtfZm3) -Фз (ZoiZm3) (Zo2Zm1)) О/в 05Э1,

/ a %2,

где Фк - передаточные функции фильтров блока 24, приведенного на фиг.2.

При совпадении положения помехи с направлениями а c&oi или ее аоч детерминант I I K(Z) I I, описывающий передаточную функцию устройства, обращается в нуль, поскольку соответственно вторая и третья строки в детерминанте совпадают с первой. В этом случае в диаграмме направленности в направлениях a OQ v(t( формируется нуль в широкой полосе частот.

На фиг.7 приведена диаграмма направленности устройства с одним нулем в октав- ной полосе частот; на фиг.8 - с двумя нулями. Кривые 1 и 2 на фиг.7 представляют диаграмму направленности на выходе диаграммообразующей схемы 2.

При использовании предлагаемого способа синтеза нулей диаграммы направленности в широкой полосе частот подавление

помехи не зависит от полосы рабочих частот

и вида спектра помехи, что увеличивает помехоустойчивость антенной решетки, при этом упрощается управление нулевыми положениями диаграммы направленности, так как число переменных, необходимых для управления N-1 нулями, уменьшается в N раз по сравнению с известным способом, расширяется область применения способа, поскольку обеспечивается возможность синтеза нулей диаграммы направленности в

широкой полосе частот.

Формула изобретения Способ синтеза диаграммы направленности широкополосной антенны с нулями в

заданных направлениях, включающий дискретные свертки сигналов в пространственной области с помощью N-лучевой антенной решетки, дискретные свертки сигналов лучей во временной области и суммирование,

отличающийся тем, что, с целью повышения помехозащищенности при воздействии широкополосных помех со стационарным и нестацоинарным спектром, сигналы с каждого из N выходов N-лучевой антенной решетки разделяют на N-1 каналов и в каждом канале производят последовательно дискретные свертки сигналов во временной области путем задержек, взвешивания и суммирования сигналов, причем

дискреты задержек сигнала в каждой операции дискретной свертки сигнала во временной области разности межэлементных задержек волновых фронтов, приходящих с направлений, соответствующих максимумам диаграмм направленности лучей, и межэлементных задержек волновых фронтов, приходящих с заданных N-1 направлений, чередование последовательных дискретных сверток сигналов в N-1 каналах каждого из лучей опре- деляется правилом раскрытия определителя матрицы размерности NxN, в первой строке которой располагают операции дискретных сверток сигналов в пространственной области для каждого луча N-лучевой антенной решетки, а в i-й (i 2, 3N) - соответствующие им операции дискретных сверток сигнала во временной области для i-ro заданного направления

формирования широкополосного нуля.

(puz.Z

Риг.З

Изобретение относится к антенной технике и может быть использовано в радио- или акустической связи, локации и навигации. Цель изобретения - повышение помехозащищенности при воздействии широкополосных помех со стационарным и нестационарным спектром. Сигналы с каждого из N выходов N-лучевой антенной решетки разделяют на N-1 каналов и в каждом канале производят дискретные сверки сигнала, последовательность и вид которых определяет детерминант матрицы размерности NxN, в первой строке которой располагают дискретные свертки сигнала в пространственной области, а в остальных - дискретные свертки сигнала во временной области для выделенных N-1 направлений формирования нулей, причем дискреты задержек сигнала в каждой операции дискретной свертки сигнала во временной области рав- ны разности межэлементных задержек волновых фронтов, приходящих .с выделенных N-1 направлений формирования нулей и направлений, соответствующих максимумам диаграмм направленности N-лучевой антенной решетки. Сигналы с N-1 выходов каналов суммируются. 8 ил.

гj 4 - - -- -- ц

,гь о27 о.о-

ИЗ

Ј4

Фиг. 4

27

и

Фие.$

j-L J

-10

-во

-66 -SO -40 -30 -20 -IP 010 20 30 «8 50 «о 70