Адаптивная антенная решетка Советский патент 1993 года по МПК H01Q21/00 

сор I

ы iv H t

/7/ 0цесмуз у/7р0& е;/Ј/;г

Изобретение относится к радиотехнике, а именно к антенным устройствам, и может быть использовано в радиотехнических системах.

Известные адаптивные антенные ре- шетки (ААР), работающие по алгоритмам случайного поиска (АСП), можно разделить на две группы. К первой группе относятся ААР, реализующие ненаправленные АСП. Ко второй группе относятся ААР, реализую- щие направленные АСП или АСЛ с обучением. Устройства первой группы просты, не требуют дополнительных вычислений, но имеют низкую скорость поиска весовых коэффициентов. Устройства второй группы имеют большую скорость поиска по сравнению с устройствами первой группы. Однако незначительное увеличение скорости поиска приводит к усложнению устройств, уменьшению устойчивости.

Наиболее близкой по технической сущности к предлагаемому устройству является выбранная в качестве прототипа ААР, реализующая алгоритм линейного поиска. В этом устройстве на каждой итерации к ве- совому вектору прибавляется некоторое случайное приращение и определяется соответствующее изменение критерия качества. Затем пропорционально произведению изменения оценки критерия качества и ел у- чайного приращения весового вектора изменяется весовой вектор.

Недостатком этого устройства является малая скорость адаптации и низкая устойчивость. Кроме того, в нем обеспечивается сходимость только математического ожидания весового вектора, флуктуации которого могут быть значительными.

Целью изобретения является повышение скорости адаптации за счет уменьше- ния числа измерений критерия качества.

Указанная цель достигается тем, что в АР, -содержащей процессор, анализатор критерия качества и N каналов, каждый из которых состоит из последовательно соеди- ненных антенного элемента и дискретного фазовращателя, выход которого соединен с соответствующим входом сумматора, выход которого является выходом устройства и соединен с первым входом анализатора кри- терия качества, выход которого соединен с первыми входами процессора, управления, выходы которого соединены с управляющими входами дискретных фазовращателей, процессор управления содержит N х М уп- равляющих блоков где М - число разрядов дискретного фазовращателя, выходы и первые входы которых являются, соответственно, выходами и первыми входами процессора управления, последовательно

соединенные генератор, блок выбора каналов и блок выбора разрядов, второй вход которого соединен с выходом генератора и вторым входом анализатора критерия качества, причем.выходы блока выбора разрядов и вторые выходы блока выбора каналов соединены, соответственно, с вторыми и третьими входами управляющих блоков.

На фиг. 1 представлена структурная схема описываемого устройства; на фиг. 2 - диаграммы, поясняющие принцип работы адаптивной антенной решетки; на фиг. 3, 4 и 5 - примеры конкретного технического выполнения анализатора критерия качества, управляющего блока и блока выбора разрядов соответственно.

Адаптивная антенная решетка (фиг. 1) содержит процессор управления, анализатор критерия качества 5 и N каналов, каждый из которых состоит из последовательно соединенных антенного элемента 1 и дискретного фазовращателя 3, выход которого соединен с соответствующим входом сумматора 4, выход которого является выходом .устройства и соединен с первым входом анализатора критерия качества 5, выход которого соединен с первыми входами процессора управления, выходы которого соединены с управляющими входами дискретных фазовращателей 3. Кроме того, процессор управления содержит N х М управляющих блоков 2. где М - число разрядов дискретного фазовращателя 3, выходы и первые входы которых являются, соответственно, выходами и первыми входами процессора управления, последовательно соединенные генератор 8, блок 7 выбора каналов и блок 6 выбора разрядов, второй вход которого соединен с выходом генератора 8 и вторым входом анализатора критерия качества 5, причем выходы блока 6 выбора разрядов и вторые выходы блока 7 каналов соединены, соответ- ственно.с вторыми и третьими входами управляющих блоков 2.

Адаптивная антенная решетка реализует бинарный алгоритм случайного поиска, который заключается в следующем. На первой итерации отрезок поиска весового коэффициента в каждом канале от О до 2 тг разбивается на две части: 0 - ж лп-2л и анализируется в какой из частей находится оптимальный весовой коэффициент (фиг. 2 а). Для этого измеряется значение критерия качества, например, отношение сигнал/шум (ОСШ) или среднеквадратичное отношение на выходе ААР, при значениях весового коэффициента, находящихся в серединах этих отрезков (п/2 и 3 лг/2). Для весового коэффициента, более

близкого к оптимальному, например 3 nil (фиг. 2 а), значение ОСШ будет выше и данный отрезок выбирается для дальнейшего поиска. Аналогично проводится сокращение отрезка поиска размером 2 л до размеров л в каждом канале ААР. На второй итерации найденный отрезок поиска длиной л:, например ж- 2 . 2 б), разбивается на две части: л - 3 nil и 3 л/2 - 2 ли анализируется в какой части находится оптимальный весовой коэффициент, для чего измеряются значения критерия качества при весовых коэффициентах, находящихся в серединах этих отрезков (5 л/4 и 7 л/4). Аналогично производится сокращение в 2 раза отрезка поиска в каждом канале ААР. На третьей ите рации найденный отрезок вновь разбивается на две части (фиг. 2 в) и так до тех пор, пока размер отрезка поиска при очередном разбиении не станет меньше наименьшего разряда дискретного фа- зовращателя. 3 (фиг, 2 г). Таким образом, в каждом канале ААР находится весовой коэффициент, наиболее близкий к оптимальному.

Устройство работает следующим образом.

Когда на первом и втором входе любого из управляющих блоков 2, пример конкретного выполнения которого показан на фиг. 4, установлена 1, на его выходе сигнал меняется на противоположный. Если при этом на его третий вход подать 1, то выходной сигнал управляющего блока 2 запоминается и остается неизменным после переключения с 1, на О любого из сигналов на его первом или втором входе. В случае, если после установки на первом и втором входе управляющего блока 2 сигнала 1 на третьем входе сигнал не изменяется с О на 1 после изменения на первом и или втором входе сигнала с 1 на О, сигнал на выходе управляющего блока возвращается в исходное состояние.

Каждый i-й выход блока 6 выбора разрядов соединен с первыми входами управляющих блоков 2, выходы которых подключены к i-м разрядам дискретных фа- зовращателей 3 (i 1, М). 1 на выходе управляющего блока 2 устанавливается в соединенном с ним разряде дискретного фазовращателя 3 фазовый сдвиг лУ2и, а на О - нулевой фазовый сдвиг.

В каждый момент времени 1 может быть только на одном из выходов блока 7 выбора каналов, выполненного, например, в виде счетчика/соединенного с дешифратором. Задний фронт каждого импульса генератора 8 изменяет номер выхода блока 7

выбора каналов, на котором присутствует 1. При этом за N импульсов (N - количество управляемых каналов) генератора 8 1 проходит последовательно все выходы блока 7 выбора каналов от первого до N-ro. N-й импульс устанавливает 1 на первом выходе блока 7 выбора каналов, при этом на выход, соединенный с блоком 6 выбора разрядов, поступает единичный импульс, кото0 рый переводит единицу со второго выхода блока 6 выбора разрядов на третий, с третьего на четвертый, ... , с M-го (М - число разрядов дискретного фазовращателя 3) на второй. Если на входе блока 6 выбора раз5 рядов, соединенном с генератором 8, сигнал 1, то выход блока б выбора разрядов, по номеру, предшествующем выходу, на котором присутствует 1, устанавливается в единичное состояние, если О, то в нулевое

0 состояние. Пример конкретного выполнения блока 6 выбора разрядов показан на фиг. 5, где 1 условно обозначает блок выбора каналов, 2 - генератор.

Период меандра на выходе генератора

5 8 выбирается не менее чем в 2 раза больше времени оценки критерия качества анализатором критерия качества 5.

В начале работы на выходах управляющих блоков 2 могут быть установлены на0 чальные состояния, в зависимости от требуемого направления главного луча диаграммы направленности ААР, например, нулевое при приходе сигнала с нормали к плоскости решетки,

5 Первоначально 1 устанавливается, например, на первом выходе блока 7 выбора каналов и втором выходе блока 6 выбора разрядов. Следовательно, на первом и втором входах управляющего блока 2, соеди0 немного со вторым разрядом дискретного фазовращателя 3 первого канала, устанавливается 1, которая переводит сигнал на его выходе в единичное состояние, в результате второй разряд дискретного фазовраща5 теля 3 первого канала устанавливается в состояние (фиг. 2 а). Анализатор критерия качества 5 измеряет величину критерия качества, например ОСШ, и сравнивает его с предыдущим значением. В качестве на0 чального значения ОСШ может быть установлено ОСШ, измеренное при начальных, например, нулевых значениях фазовых сдвигов дискретных фазовращателей 3 (весовых коэффициентах). Если измеренное

5 значение ОСШ выше начального, то на выходе анализатора критерия качества 5 устанавливается 1, а измеренное ОСШ записывается в качестве начального, после чего на выходе анализатора критерия качества 5 сигнал возвращается в исходное нулевое состояние, 1 с выхода анализатора критерия качества 5 поступает на третьи входы управляющих блоков 2. При этом происходит запоминание 1 на выходе управляющего блока 2, соединенного со вторым разрядом дискретного фазовращателя 3 первого канала. То есть после изменения сигналов на первом и втором входах управ- ляющего блока 2 сохраняется фазовый сдвиг, равный nil во втором разряде дискретного фазовращателя 3 первого канала. Если измеренное значение ОСШ не превышает начального, то на выходе анализатора критерия качества 5 остается О и сохраняется сигнал 1 на выходе управляющего блока 2. Следовательно, соответствующее ему значение фазового сдвига л/2 во втором разряде фазовращателя 3 первого канала не запомнится, а начальное значение ОСШ в анализаторе критерия качества 5 останется прежним.

Первый импульс генератора 8, приходящий на блок 6 выбора разрядов, устанавливает на его первом выходе 1. Следовательно, поскольку на следующем (втором) выходе установлена 1, единичные сигналы будут также на первом и втором входах управляющего блока 2, соединенного с первым разрядом дискретного фазовращателя 3 первого канала. В результате чего на его выходе сигнал принимает противоположное, единичное состояние, у анавливая фазовый сдвиг в первом разряде дискретного фазовращателя 3 первого канала, равный л. При этом общий фазовый сдвиг дискретного фазовращателя 3 первого канала станет равным л + гс/2 3 я/2 (см. фиг. 2 а). Анализатор критерия качества измерит ОСШ, соответствующее новому весовому коэффициенту. Если измеренное значение ОСШ выше начального, то на выходе анализатора критерия, качества 5 устанавливается 1, а измеренное ОСШ записывается в качестве начального. 1 с выхода анализатора критерия качества 5, поступая на третьи входы управляющих блоков 2, приводит к запоминанию сигналов на выходах тех блоков, на первом и втором входах которых установлена 1. т. е. управляющих блоков 2, соединенных с первым и вторым разрядами дискретного фазовращателя 3 первого канала. В случае, если измеренное значение ОСШ меньше начального, то на выходе анализатора критерия качества 5 остается нулевое значение и запоминание 1 управляющих блоков 2, соединенных с первыми и вторым разрядами дискретного фазовращателя 3, не произойдет.

Однако, если при предыдущем анализе критерия качества произошло запоминание 1 на выходе управляющего блока 2, соединенного со вторым разрядом дискретного

фазовращателя 3 первого канала, то единичный сигнал на его выходе останется. Таким образом, из двух анализирующих весовых коэффициентов я/2 и 3 л/2, соответствующих центрам отрезков 0-яия-2я, выбирается один, которому соответствует большее значение ОСШ, например 3 я/2 (см. фиг. 2 а). В случае, если ни одно из этих значений не превысило начально установленного ОСШ, то остаются начально установленные весовые коэффициенты. Задний фронт первого импульса генератора 8, приходящий на блок 7 выбора, перемещает 1 с первого выхода на второй. И вышеописанный процесс повторяется для первого и второго разрядов дискретного фазовращателя 3 второго канала.

Задний фронт второго импульса генератора 8 переводит 1 со второго на третий выход блока 7 выбора каналов и так далее

до N-ro канала. Задний фронт N-ro импульса генератора 8 устанавливает 1 на первом выходе блока 7 выбора каналов. При этом на выходе блока 7 выбора каналов, соединенном с блоком б выбора разрядов,

формируется единичный импульс, переводящий 1 со второго выхода блока 6 выбора разрядов на третий. Следовательно, 1 будет установлена на первом и втором входах третьего управляющего блока

2 первого канала и сигнал на его выходе устанавливается противоположным, то есть единичным, что приводит к установлению фазового сдвига я/4 в третьем разряде дискретного фазовращателя 3 первого

канала. Таким образом общий фазовый сдвиг в дискретном фазовращателе 3 первого канала будет р± я/4, р- фазовый сдвиг, установленный в первом канале на предыдущем шаге поиска. Например, Зя/2, то общий фазовый сдвиг будет 7 я/4 (фиг. 2 б). Анализатор критерия качества 5 измеряет новое значение ОСШ и сравнивает его с начальным. В зависимости от сигнала на выходе анализатора критерия

качества 5, 1 на выходе третьего управляющего блока 2 либо запоминается, либо нет. N + 1-й импульс генератора 8 устанавливает на втором выходе блока б выбора разрядов 1. При этом на первом и втором входах второго управляющего блока 2 устанавливается 1, в результате чего сигнал на его выходе меняется на противоположный, в нашем примере с 1 на О. Фазовый сдвиг во втором разряде дискретнего фазовращателя 3 первого канала изменяется с я/2 на 0. В результате чего общий фазовый сдвиг в дискретном фазовращате- ле 3 первого канала будет 5 я/4 (фиг. 2 б). В зависимости от сигнала на выходе анализатора критерия качества 5, сигналы на выходах второго и третьего разрядов дискретного фазовращателя 3 либо запоминаются, либо нет. Таким образом в зависимости от того, какой весовой коэффициент 5 я/4, 3 я/2, 7 я/4 ближе к оптимальному, такой и устанавливается, например 5 я/4 (фиг. 2 в).

Задний фронт N + 1-го импульса генератора 8, приходящий на блок 7 выбора каналов, перемещает 1 с первого выхода на второй и процесс повторяется для второго и последующих каналов. 2 N-й импульс переводит 1 на первый выход блока 7 выбора каналов и формирует импульс на выходе, соединенном с блоком 6 выбора разрядов, который переводит 1 с третьего выхода блока 6 выбора разрядов на четвертый. При этом в первом канале ААР анализируются весовые коэффициенты 11 я/8 5 я/4 +я/8 и 9 я/8 5 я/4 - я/4 + я/8 (фиг. 2 в), соответствующие центрам отрезков я - 5 я/4 и 5 я/4 - 3 я/2,. Таким образом процесс повторяется до N х M-го импульса, который установит 1 на втором выходе блока 6 выбора разрядов и на первом выходе блока 7 выбора каналов, т. е. в исходное состояние. При этом найденное значение весового коэффициента и измеренное ОСШ принимаются за начальные. В зависимости от помеховой обстановки, стационарная или меняющаяся, поведения источника сигнала, движется или неподвижен, процесс адаптации либо заканчивается, либо повторяется.

Пример конкретного выполнения анализатора критерия качества 5 показан на фиг. 3. Он может состоять из измерителя критерия качества 1, например ОСШ, выполненного по известным схемам, запоминающих устройств 2 и 3 для запоминания измеренного и начального значения ОСШ, схемы сравнения 4, ключа 5, счетчика 6. Связь измерителя ОСШ с генератором необходима для тактирования измерений. В случае, если в запоминающем устройстве 2

величина ОСШ больше, чем в запоминающем устройстве 3, то схема сравнения 4 выдаст сигнал 1 на выход и ключ 5, разрешая запись содержимого запоминающего

устройства 2 в запоминающее устройство 3. В случае, если улучшения критерия качества не произойдет за 2 N измерений (импульсов генератора), т, е. за это время не срабатывает ключ 5, счетчик 6 заполнится и выдаст

сигнал на обнуление запоминающего устройства 3. Это необходимо для того, чтобы не произошла остановка процесса адаптации при снижении ОСШ, например, при резком уменьшении мощности полезного

сигнала на входе ААР или увеличении мощности помех.

Формула изобретения

Адаптивная антенная решетка, содержащая процессор управления, анализатор критерия качества и N каналов, каждый из которых состоит из последовательно соединенных антенного элемента и дискретного

фазовращателя, выход которого соединен с соответствующим входом сумматора, выход которого является выходов антенной решетки и соединен с первым входом анализатора критерия качества, выход которого

соединен с первыми входами процессора управления, выходы которого соединены с управляющими входами дискретных фазов- ращателей .отличающаяся тем, что, с целью повышения скорости адаптации,

процессор управления содержит N х М управляющих блоков, где М - число разрядов дискретного фазовращателя, выходы и первые входы которых являются, соответственно, выходами и первыми входами процессора управления, последовательно соединенные генератор, блок выбора каналов и блок выбора разрядов, второй вход которого соединен с выходом генератора и вторым входом анализатора критерия качества, причем выходы блока выбора разрядов и вторые выходы блока выбора каналов соединены соответственно с вторыми и третьими входами управляющих блоков.

cpue.5

Использование: в радиотехнических системах, а именно в адаптивных антенных решетках для повышения скорости адаптации. Сущность изобретения: устройство содержит N антенных элементов 1, М управляющих блоков 2, N дискретных фазовраща- телей 3, сумматор 4, анализатор критерия качества 5, блок выбора разрядов 6, блок выбора каналов 7, генератор 8. 5 ил,