Адаптивная антенная решетка Советский патент 1992 года по МПК H01Q21/00 

со С

Использование: в системах радиолокации и радионавигации с адаптивными антенными решетками (ААР) для обеспечения приема нескольких полезных сигналов на фоне помех при сохранении габаритов апертуры ААР. Сущность изобретения: устройство содержит М N антенных элементов 1, соединенных через малошумящий усилитель 2 и Р-канальный делитель 3 мощности с соответствующими входами Р сигнальных процессоров 5 (Р - количество принимаемых сигналов), каждый из которых состоит из М- N фазовращателей 6, матрицы Батлера 7, коммутатора 8, системы адаптации 9 и сумматора 10 . При этом управляющие сигналы блока 4 управления соответствуют определенному закону.2 ил.

гсН .-Ј#t.H к Г

-МН

CJ

ю

ё

00

Изобретение относится к радиотехнике и Moxef быть использовано в системах радиолокации и радионавигации о адаптивными антенными решетками (ААР), позволяющими автомате- чески устанавливать нули диаграммы направленности (ДН) в направлении источников помех, уменьшая уровень помех и обеспечивая тем самым обнаружение полезных сигналов и измерение их парамет- ров,

При работе в составе связной и радионавигационной аппаратуры ААР должна Обеспечивать надежный прием и обработку нескольких ортогональных пространствен- мо-разнесенных или слабокоррелированных полезных сигналов и подавление помех. При этом помехозащищенность ААР определяется количеством подавляемых помех, Увеличение количества подавляв- мых помех при приеме нескольких полезных сигналов приводит к увеличению количества излучателей ААР и, как следствие, к увеличению ее апертуры, что затрудняет использование ААР на летательных аппаратах и наземных объектах ограниченных размеров,

Известна ААР, содержащая N каналов, каждый из которых еодержит-приемный аитенный элемент (АЭ) и весовой умножител ь, выходы которых подключены к сумматору, блок формирования весовых коэффициентов, классификатор наличия полезного сигнала и ключ. Известная ААР обладает высокой помехозащищенностью при при- еме достаточно мощных и длительных по- лззных сигналов.

Однако данная ААР требует большого отношений сигнал/шум на входе и позволя- ет вести прием одновременно только одно- го полезного сигнала на фоне помех.

Известна также ААР, содержащая К каналов; каждый из которых выполнен в виде последовательно соединенных приемного антенного элемента и весового умножителя, сумматор, включенный на выходах всех каналов, блок формирования весовых коэффициентов, входы которого подключены к выходам приемных антенных элементов, а выходы - к вторым входам весовых умножи- телей. Известная ААР предназначена для подавления помех по боковым лепесткам ДН.

Однако известная ААР не может прини- мать достаточно мощные и длительные сигналы без использования специальной синхронизации времени их прихода,Кроме того, известная ААР позволяет вести прием только одного полезного сип юл а на фоне помех.

Известна также ААР, содержащая N антенных элементов с предусилителями и кон- турами адаптивного управления, состоящими из двух корреляционных смесителей, усилителей и сумматоров, подключенными к входам общего сумматора,

Недостатком известной ААР является снижение ее помехозащищенности при одновременном приеме нескольких полезных сигналов из разных источников на фоне помех.

Наиболее близкой к изобретению является ААР, содержащая М:М антенных элементов , устройство управления, осуществляющее формирование весового вектора, и сигнальный процессор , включа- ющий в себя N- М фазовращателей , матрицу Батлера N M входов, коммутатор систему адаптации и сумматор . ,

Известное устройство работает следующим образом.

Матрица Батлера в совокупности с антенными элементами решетки формирует систему ортогональных ДН, число которых равно числу входов матрицы Батлера, при этом главный лепесток каждой из них приходится на нуль всех остальных ДН. Направление луча ДН в пространстве обеспечивается весовым вектором, который вырабатывается устройством управления. Ортогональная ДН, направление главного лепестка которой в наибольшей степени совпадает с направлением прихода полезного сигнала, выбирается в качестве главной. Коммутатор подключает выход матрицы Батлера, соответствующий выбранной ДН, к прямому входу сумматора Остальные выходы матрицы Батлера коммутатор подключает к входам системы адаптации. В системе адаптации происходит весовая обработка сигналов излучателей. С выхода системы адаптации сигнал поступает на инверсный вход сумматора . С выхода сумматора сигнал поступает на корректирующий вход системы адаптации. Так как направление на источники помех может меняться и нельзя исключить влияния других шумов, процесс адаптации происходит непрерывно.

Такая антенна может обеспечить прием лишь от одного источника полезного сигнала, В случае необходимости вести одновре- менный прием нескольких полезных сигналов, например Р полезных сигналов, требуется Р таких ААР, содержащих соответственно P-M-N антенных элементов. Последнее приведет к увеличению апертуры ААР, что не всегда возможно в метровом и длинноволновой части дециметрового диапазона. Пусть, например М М 6 (количество антенных элементов определяется в основном из соображений энергетики радиолиний с числом подавляемых помех), А 75 см. Межэлементное расстояние d Я/2. Тогда размер апертуры антенны составит (М N-1). d- 0,,875 м. Пусть в тех же условиях необходимо обеспечить одновременный прием от четырех источников полезного сигнала, тогда размер апертуры станет равным 4 (M-N-1)-d 7,5 м. Установка такой антенны практически на любом подвижном объекте нереальна.

Целью изобретения является расширение эксплуатационных возможностей адаптивной антенной решетки путем обеспечения приема нескольких полезных сигналов на фоне помех при сохранении габаритов апертуры антенны.

Сущность изобретения заключается в том, что в ААР, содержащую антенные элементы, устройство управления и сигнальный процессор, включающий в себя последовательно соединенные фазовращатели, матрицу Батлера M.N, где М - число ст рок матрицы Батлера; N - число столбцов, коммутатор, а также систему адаптации, информационные входы которой подключены к выходам коммутатора, а корректирующий вход-к выходу сумматора, первый и второй входы соединены соответственно с первым выходом коммутатора и выходом системы адаптации, при этом число антенных элементов и число фазовращателей равно M.N, управляющий вход коммутатора соединен с первым выходом устройства управления, второй выход которого соединен с объединенными управляющими входами фазовращателей, выход сумматора сигнального процессора является выходом адаптивной антенной решетки,дополнительно введены (Р-1) сигнальный процессор, где Р - количество принимаемых полезных сигналов, каж- дый антенный элемент подключен к одноименным входам сигнальных процессоров через дополнительные последовательно соединенные малошумящий усилитель и Р-канальный делитель мощности, а устройство управления формирует уп- равлпющие сигналы в соответствии с математическими выражениями

Фл ((im(n/4)-1,5)

(AVO +fGnt(Fo У/4-1,5) rouFidT l

xrou

-K4fr (n/4)-1,5)x (AW)l+f(4fr(F0)l/4-1,5)

Ґ

radW(1)

Fo 4Kx + Ky,(2)

где i - номер сигнального процессора, совпадающий с номером источника полезного сигнала;

0 FO - номер луча, фазовые градиенты которого наиболее близки к направлению прихода соответствующего полезного сигнала;

Атрх , Агру - фазовые градиенты в на- 5 правлении осей X и Y соответственно; п - номер антенного элемента; д- дискрет фазовращателя; гои - оператор округления до ближайшего целого;

0 rad - оператор перевода из градусов в радианы;

Int - оператор выделения целой части вещественного числа;

fr- оператор выделения дробной части 5 вещественного числа;

Кх, Ку - вспомогательные коэффициенты.

Это обеспечивает возможность одновременного приема ААР нескольких ортого- 0 нальных или слабокоррелированных полезных сигналов на фоне помех без увеличения апертуры ААР, при этом количество полезных сигналов, которые может принять одновременно ААР определяется количест- 5 вом сигнальных процессоров1.

Совокупность перечисленных признаков является новой и не обнаружена в изве- стных технических решениях. Это определяет существенные отличия предла- 0 гаемой ААР и обеспечивает возможность надежного приема и обработки нескольких ортогональных пространственно-разнесенных полезных сигналов и подавления помех без увеличения апертуры ААР, что особенно 5 важно для связной и навигационной аппаратуры, используемой на летательных аппаратах и наземных объектах ограниченных размеров.

На фиг. 1 представлена структурная схе- 0 ма предлагаемой адаптивной антенной решетки; на фиг, 2 - блок-схема алгоритма определения номера луча, фазовые градиенты которого наиболее близки к направлению прихода соответствующего полезного 5 сигнала, а также фазовых сдвигов дискретных фазовращателей.

ААР содержит M-N антенных элементов 1, последовательно соединенных с M-N малошумящими усилителями 2, выходы которых соединены с M-N Р-канальными

делителями 3 мощности, устройство 4 управления и Р сигнальных процессоров 5, содержащих M N фазовращателей 6, матрицу Батлера на M-N входов 7, коммутатор 8, систему 9 адаптации и сумматор 10, причем общее количество сигнальных процессоров Р, входящих всоставААР, равно количеству источников полезных сигналов,

Устройство работает следующим образом,

Сигналы с выходов антенных элементов (АЭ) 1 усиливаются малошумящими усилителями 2 и разделяются делителями 3 мощности на Р групп (по M N сигналов в каждой группе). Число групп, т.е. число каналов де- лителой мощности, определяется числом источников полезны сигналов, которые в состоянии одновременно обработать ААР на фоне помех С выходов делителей мощности сигналы поступают на одноименные зходы каждого из сигнальных процессоров 5, т,е но первые входы фазовращателей 6. Одновременно на управляющие входы фазовращателей 6 и коммутаторов 8 каждого сигнального процессора поступают сигна- лы с выхода устройства управления, содержащие информацию об угловых координатах источников полезных сигналов и номер луча F0. Устройство управления вырабатывает управляющие сигналы в соот- ветствии с математическими выражениями (1)и(2).

Вспомогательные коэффициенты определяются а соответствии с математическими выражениями

/0,если Дт#к 5: 1,если гс/2 S:0

Кх

Kv

2,еслиО Д$ Ј-я/2 З.еслч ,

aec/mAi/v | 1, Д% 0

я/2

2,если 0 A W

, 3,если - 7JT Ai/V ,

где Д$( , At/v - фазовые градиенты правлении осей X и Y соответственно ((i/b)( )

(

где ifa фазы сигналов на выходах аных элементов.

( ) - (Ип/4) -1 -5) Kd sfn( h (4fr{n/4) -1,5)Kd sin(V0} sin (p0 )(,

0

5 0 5 0

5

0

5

0

5

где rt - номер антенного элемента;

(V0) ( ) угловые координаты источников полезных сигналов;

К - коэффициент фазы, равный 2 тг/Я , где Я- длина волны, d - расстояние между элементами адаптивной антенной решетки.

Величины Я - длина волны; К 2тг/Я - коэффициент фазы; d - расстояние между элементами решетки; А 1,5 являются константами.

Известно также количество антенных элементов M-N. Определение фазы сигналов на выходах антенных элементов происходит поочередно для каждого антенного элемента (п - номер антенного элемента). Угловые координаты источников полезных сигналов априорно известны. Вместе с константами (Я , К, d, А) они записаны в постоянном запоминающем устройстве (ПЗУ), входящем в состав устройства управления (УУ). Вычисляемые промежуточные величины для определения фазовых сдвигов фазовращателей поступают в оперативное запоминающее устройство (ОЗУ) устройства управления. Для определения фазы сигналов на выходах антенных элементов, которые должны иметь место для заданных V0 и р0, их значения поступают из ПЗУ в арифметическое устройство (АУ).

Вычисление фазовых градиентов в направлении осей X и Y происходит в АУ в соответствии с формулой

А$ 1Дэ -VN -1;

AW Vb

Вычисление номера луча F0, фазовые градиенты которого менее всех отличаются от и А1Д, , осуществляется в соответствии с формулой

Fo - 4КХ + Ку и его значение заносится а ОЗУ.

Определение фазовых сдвигов дискретных фазовращателей, обеспечивающих заданный поворот основных ДН, осуществляется в соответствии со структурной схемой устройства управления,

В качестве конкретной реализации данной структурной схемы может быть использовано устройство специализированное управляющее вычислительное Электроника ДЗ-28.

Сигнал, содержащий информацию о фазовых сдвигах фазовращателей, поступает на управляющие входы всех фазовращателей. Сигнал, содержащий информацию о номере луча, направление максимума которого наиболее близко к направлению на источник полезного сигнала, поступает на управляющий вход коммутатора. При этом происходит изменение значения фазы

на каждом фазовращателе на соответствующую величину, в результате чего происходит поворот ортогональных ДН, сформированных матрицей Батлера, при этом выход матрицы Батлера, направление главного луча ДН которого наиболее близко к истинному направлению прихода полезного сигнала (т.е. значение, фазового сдвига было наименьшим), через коммутатор подключается непосредственно к прямому входу сумматора. Дальнейший принцип работы полностью соответствует принципу работы сигнального процессора прототипа.

Предлагаемая адаптивная антенная решетка реализуется на широко известных устройствах.

Формула изобретения Адаптивная антенная решетка, содержащая M-N каналов, каждый из которых состоит из антенного элемента, где М - число строк, N - число столбцов, блок управления и первый сигнальный процессор, состоящий из M-N фазовращателей, входы которых являются входами первого сигнального процессора, а выходы соединены с соответствующими входами последовательно соединенных матрицы Батлера и коммутатора, первый выход которого соединен с последовательно соединенными сумматором и системой адаптации, информационные входы которой подключены к вторым выходам коммутатора, а корректирующий выход системы адаптации - к инверсному входу сумматора, выход которого является выходом первого сигнального процессора и адаптивьой антенной решетки, при этом управляющий вход коммутатора соединён с первым выходом блока управления, второй выход которого соединен с управляющими входами фазовращателей, отличающая с я тем, что, с целью повышения помехозащищенности за счет увеличения количества принимаемых сигналов на фоне помех при сохранении габаритов антенной решетки, дополнительно введены (Р-1) сигнальных процессора, где Р - число принимаемых полезных сигналов, а в каждый канал последовательно соединенные малошумящий усилитель и Р-канальный делитель мощности, выходы которого соединены с одноименными входами соответствующего

сигнального процессора, при этом вход малошумящего усилителя подключен к выходу соответствующего антенного элемента, а блок управления выполнен с возможностью формирования сигнала в соответствии с математическим вырах ением

к rou

Фп ((lnt(n/4)-1,5) (Д) +|(1пг(Ро) /4

1,5)

гасЦд)

-)+

+

(4frT(n/4)-1,5}x

(AVA.)l+f(4fr(Fo)l/4-1,5) . /и --}о,

rad (1ГГ

25

Fo Кх+Ку,

- номерсигнального процессора, совпадающий с номером источника полезного сигнала;

FO - номер луча, фазовые фадиенти которого совпадают с направлением при -- да соответствующего полезного сигнала:

, A#V - фазовые градиенты в направлении осей X и Y соответственно;

п - номер антенного элемента; (5 -дискрет фазовращателей;

rou - оператор округления до ближай шего целого;

rad - оператор перевода из градусов ц радиан oi;

int - оператор выделения целой части вещественного числа;

fr оператор выделения дробной части вещественного числа;

Кх, Ку - вспомогательные коэффицисн- ты.

Фи$;2