АНТЕННАЯ РЕШЕТКА Советский патент 2007 года по МПК H01Q3/26 

Изобретение относится к области радиотехники и может быть использовано в радиолокации, радиосвязи и радионавигации для пространственной обработки сигналов в приемных антенных решетках.

В настоящее время для обработки сигналов в адаптивных антенных решетках (ААР) все чаще применяются многоканальные системы [1-4]. Все они, как правило, содержат приемные каналы, включающие последовательно соединенные излучатели и устройства управления лучом, а также диаграммообразующие схемы.

В многоканальных антенных системах обработка сигналов осуществляется в два этапа. На первом этапе формируются ряд параллельных каналов с заданными характеристиками, как правило, основной канал, согласованный с направлением прихода полезного сигнала, и ряд компенсационных. Затем выходные сигналы компенсационных каналов вычитаются из сигнала основного канала с оптимальными весовыми коэффициентами, значения которых подбираются автоматически в адаптивном процессоре, так называемом многоканальном адаптивном компенсаторе помех. При этом подавление мешающих сигналов должно осуществляться только по боковым лепесткам и должно быть существенно ограничено или полностью отсутствовать в области главного луча [5]. Это возможно, если компенсационные приемные каналы имеют разностные диаграммы направленности (ДН). Известны АР с компенсационными каналами, имеющими разностные ДН [6].

Недостаток устройств подобного типа состоит в недостаточном ограничении подавления сигналов в области главного луча. Это объясняется тем, что упомянутые устройства имеют разностные ДН с "острым" нулем. Вследствие этого уровень сигналов в разностных каналах АР в пределах главного луча достаточно велик, что приводит к срабатыванию автокомпенсаторов АР по сигналам в главном луче и подавлению сигналов в области главного луча. Поэтому встала задача формирования разностных ДН, позволяющих расширить область защиты главного луча от подавления или искажения. Эта задача была решена в [17] путем использования каскадной схемы вычитания сигналов.

Недостатками устройства [17] являются большие потери (порядка 5-6 дБ на каскад вычитающих элементов), сложность его построения, большой объем аппаратуры. Встает задача снижения потерь и уменьшения объема аппаратуры в антенных решетках, формирующих разностные ДН с "плоским" нулем.

Принятое за прототип устройство [17] включает в себя (N+1) излучателей, к каждому из которых последовательно подсоединено устройство управления лучом. Выходы всех устройств управления лучом соединены со входами сумматора, а, кроме того, выход первого устройства управления лучом соединен с положительным входом первого вычитающего устройства первого каскада, выход q-го устройства управления лучом подключен к положительному входу q-го вычитающего элемента первого каскада и отрицательному входу (q-1)-го вычитающего элемента первого каскада, а выход N-го устройства управления лучом подключен к отрицательному входу N-го вычитающего элемента первого каскада, выход сумматора подключен к соответствующему входу адаптивного фильтра, вычитающие элементы включены покаскадно параллельно в каждом каскаде, выходы вычитающих элементов каждого каскада, кроме последнего, l-го, подключены ко входам вычитающих элементов следующего каскада, при этом выход первого вычитающего элемента предыдущего каскада подключен к положительному входу первого вычитающего элемента следующего каскада, выход p-го вычитающего элемента предыдущего каскада подключен к положительному входу (p-1)-го вычитающего элемента следующего каскада и к отрицательному входу p-го вычитающего элемента следующего каскада, а выход последнего (N-j)-го вычитающего элемента предыдущего j-го каскада подключен к отрицательному входу вычитающего элемента следующего каскада, причем выходы (N-l-1) вычитающих элемента последнего l-го каскада подключены раздельно к соответствующим входам адаптивного фильтра. Выход адаптивного фильтра является выходом всего устройства.

Как указано в [4], такое построение антенной системы позволяет подавлять любые m помех, приходящих с заранее неизвестных направлений, когда m не превышает (N-l+1) - числа компенсационных каналов. В [17] показано, что разностные каналы такой АР имеют диаграммы направленности с "плоским" нулем, что позволяет получить широкую зону защиты полезных сигналов в главном луче антенной решетки.

Недостатками такого устройства, как уже было сказано, являются большие потери, сложность и большой объем аппаратуры.

Целью изобретения является снижение потерь, упрощение и сокращение объема аппаратуры за счет уменьшения числа вычитающих элементов при сохранении функциональных возможностей.

Дополнительной целью изобретения является расширение функциональных возможностей за счет осуществления изменения зоны защиты полезных сигналов в зависимости от помеховой обстановки.

Поставленная цель достигается тем, что в известное устройство, содержащее (N+1) канал, каждый из которых включает в себя последовательно соединенные излучатель и устройство управления лучом, сумматор, N вычитающих элементов, адаптивный фильтр, причем выход каждого устройства управления лучом подключен к соответствующему входу сумматора, выход первого устройства управления лучом подключен к положительному входу первого вычитающего элемента, выход сумматора подключен к соответствующему входу адаптивного фильтра, отличающаяся тем, что, с целью упрощения и сокращения объема аппаратуры при сохранении функциональных возможностей за счет уменьшения числа вычитающих элементов, выход 2q-го устройства управления лучом подключен к отрицательным входам (2q-1)-го и 2q-го вычитающих элементов, выход (N+1)-го устройства управления лучом подключен к оставшемуся свободным входу N-го вычитающего элемента, при этом в антенную решетку дополнительно включено (2N-l)(l+1)/2 сумматоров, включенных покаскадно параллельно в каждом каскаде, выходы дополнительных сумматоров каждого каскада, кроме последнего, l-го, подключены ко входам дополнительных сумматоров следующего каскада, при этом выход первого дополнительного сумматора предыдущего каскада подключен к первому входу первого дополнительного сумматора следующего каскада, выход p-го дополнительного сумматора предыдущего каскада подключен к первому входу p-го дополнительного сумматора следующего каскада и ко второму входу (p-1)-го дополнительного сумматора следующего каскада, выход последнего (N-j-1)-го дополнительного сумматора предыдущего каскада подключен ко второму входу последнего (N-j-2)-го дополнительного сумматора следующего каскада, причем выходы (N-l-1) дополнительно включенных сумматоров последнего, l-го каскада подключены раздельно к соответствующим входам адаптивного фильтра.

Кроме того, поставленная цель достигается тем, что в антенную решетку введено (2N-l+1)(l-1)/2 первых управляемых переключателей на два направления по числу вычитающих элементов и дополнительных сумматоров за исключением дополнительных сумматоров последнего каскада, (N-1) вторых управляемых переключателей, из них (N-l) переключателей на (l+1) направление, а каждый последующий из вторых переключателей, начиная с (N-l+1)-го, имеет на один вход меньше, чем предыдущий, при этом вход каждого из первых переключателей подключен к выходу соответствующего вычитающего элемента или дополнительного сумматора, один из выходов каждого из первых переключателей, например, нормально замкнутый, подключен ко входу соответствующего дополнительного сумматора следующего каскада, другие выходы каждого из первых переключателей, за исключением последнего, N-го переключателя первого каскада, подключены раздельно к соответствующим входам соответствующих вторых переключателей, причем указанные выходы первых по порядку первых переключателей каждого каскада подключены раздельно к соответствующим входам первого из вторых переключателей, указанные выходы S-х по порядку первых переключателей каждого каскада подключены раздельно к соответствующим входам S-го дополнительно введенного из вторых переключателей, за исключением последнего, N-го из первых переключателей первого каскада, выход которого, наряду с каждым из выходов вторых переключателей, подключены раздельно к соответствующим входам адаптивного фильтра.

Сами по себе сумматоры, вычитающие элементы, переключатели известны, однако при предложенном функциональном включении в указанной совокупности они позволяют обеспечить новые свойства.

Аналогичное включение вычитающих элементов, сумматоров и переключателей в известных технических решениях не обнаружено, что подтверждает существенность отличия предлагаемого технического решения.

Сущность изобретения будет более понятной из следующего описания и прилагаемых к нему чертежей, на которых изображено следующее:

на фиг.1 - функциональная схема прототипа;

на фиг.2 - схема адаптивного фильтра (первый вариант);

на фиг.3 - схема адаптивного фильтра (второй вариант);

на фиг.4 - схема блока подавления помех;

на фиг.5 - схема одноканального компенсатора (на этом же чертеже показаны условные обозначения компенсатора в других чертежах);

на фиг.6 - схема декоррелятора-преобразователя;

на фиг.7 - схема коррелятора-сумматора;

на фиг.8 - схема предложенного устройства;

на фиг.9 - схема предложенного устройства с регулированием зоны защиты полезных сигналов;

на фиг.10 - низкочастотная схема управления переключателями 7;

на фиг.11 - разностная ДН с "острым" нулем (ДН сигналов на выходах вычитающих элементов) - штрихпунктирная кривая;

- разностная ДН с ″плоским″ нулем (ДН сигналов на выходах первого каскада дополнительных сумматоров) - пунктирная кривая;

- суммарная ДН пятиэлементной линейной АР - кривая 1;

на фиг.12 - разностная ДН с "плоским" нулем (ДН сигналов на выходах первого каскада дополнительных сумматоров) - пунктирная кривая;

- разностная ДН с "плоским" нулем (ДН сигналов на выходах второго каскада дополнительных сумматоров) - сплошная кривая,

- разностная ДН с "плоским" нулем (ДН сигналов на выходах третьего каскада дополнительных сумматоров) - штрихпунктирная кривая,

- суммарная ДН пятиэлементной линейной АР - кривая 1;

на фиг.13 - схема устройства управления лучом;

на фиг.14 - схема вычитающего устройства.

На фигурах и в тексте приняты следующие обозначения:

1 - излучатели;

2 - устройства управления лучом;

3, 5, 15, 17, 30 - сумматоры;

4 - вычитающие элементы;

6 - адаптивный фильтр;

7 - управляемые переключатели на два направления;

8 - управляемые переключатели на несколько направлений;

9 - многоканальный подавитель боковых лепестков;

10 - декоррелятор-преобразователь;

11 - блок подавления помех;

12 - коррелятор-сумматор;

13, 14, 16 - одноканальные компенсаторы;

18, 19 - комплексные перемножители;

20 - интегратор;

21 - низкочастотные переключатели (например, тумблеры);

22, 23 - диоды;

24 - логические элементы И (схемы совпадения);

25 - инверторы (логические элементы НЕ);

26 - резисторы;

27 - усилители;

28 - узкополосные фильтры;

29 - переменные линии задержки;

31 - дискретный 180-градусный фазовращатель.

Кроме того, буквами на этих чертежах обозначено:

О - основной вход;

К - компенсационный вход;

С - сигнальный выход;

ВК - взвешенный компенсационный выход;

u₁ - напряжение, соответствующее логической единице;

u₂ - напряжение, соответствующее логическому нулю;

- выходные низкочастотные сигналы схемы управления.

Предложенное устройство (фиг.8) состоит из (N+1) облучателей 1, к каждому из которых последовательно подсоединено устройство управления лучом 2. Выходы всех устройств управления лучом 2 соединены со входами первого сумматора 3, а кроме того, выход первого устройства управления лучом 2 подключен к положительному входу первого вычитающего элемента 4, выход 2q-го устройства управления лучом 2 подключен к отрицательным входам (2q-1)-го и 2-го вычитающих элементов 4, выход (2q+1)-го устройства управления лучом 2 подключен к положительным входам 2q-го и (2q+1)-го вычитающих элементов 4, выход (N+1)-го устройства управления лучом 2 подключен к оставшемуся свободным входу N-го вычитающего элемента 4. Кроме того, (2N-l)(l+1)/2 дополнительных сумматоров 5 включены покаскадно параллельно в каждом каскаде, выходы вычитающих элементов 4 и дополнительных сумматоров 5 каждого каскада, кроме последнего, l-го, подключены ко входам дополнительных сумматоров 5 следующего каскада. Выход первого вычитающего элемента 4 или первого дополнительного сумматора 5 каждого из предыдущих каскадов подключен к первому входу первого дополнительного сумматора 5 следующего каскада, выход p-го вычитающего элемента 4 предыдущего каскада подключен к первому входу (p-1)-го дополнительного сумматора 5 следующего каскада и ко второму входу p-го дополнительного сумматора 5 следующего каскада, а выход последнего (N-j+1)-го вычитающего элемента 4 или дополнительного сумматора 5 предыдущего j-го каскада подключен ко второму входу последнего (N-j)-го дополнительного сумматора 5 следующего каскада, а выходы (N-l+1) дополнительно включенных сумматоров 5 последнего, l-го, каскада подключены раздельно к соответствующим входам адаптивного фильтра 6. Выход сумматора 3 подключен к соответствующему входу адаптивного фильтра 6, а выход адаптивного фильтра 6 является выходом всего устройства.

Кроме того, предложенное устройство может дополнительно содержать (фиг.9) (2N-l+1)(l-1)/2 переключателей 7 на два направления по числу вычитающих элементов 4 и дополнительных сумматоров 5, за исключением дополнительных сумматоров 5 последнего каскада, (N-1) вторых управляемых переключателей 8, из них (N-l) переключателей 8 на (l+1) направление, а каждый последующий из переключателей 8, начиная с (N-l+1)-го, имеет на один вход меньше, чем предыдущие, при этом вход каждого из переключателей 7 подключен к выходу соответствующего вычитающего элемента 4 или дополнительного сумматора 5, один из выходов каждого из переключателей 7, например, нормально замкнутый, подключен ко входу соответствующего дополнительного сумматора 5 следующего каскада, другие выходы каждого из переключателей 7, за исключением последнего, N-го, переключателя 7 первого каскада, подключены раздельно к соответствующим входам соответствующих переключателей 8, причем указанные выходы первых по порядку первых переключателей 7 каждого каскада подключены раздельно к соответствующим входам первого из переключателей 8, указанные выходы S-х по порядку переключателей 7 каждого каскада подключены раздельно к соответствующим входам S-го переключателя 8, за исключением N-го из переключателей 7 первого каскада, выход которого, наряду с каждым из выходов вторых переключателей 8, подключены раздельно к соответствующим входам адаптивного фильтра 6.

Устройство управления лучом 2 (фиг.13) конструктивно выполнено так же, как в прототипе, и может содержать [18] последовательно соединенные усилитель 27, узкополосный фильтр 28 с центральной частотой f₀ и переменную линию задержки 29. При этом вход усилителя 27 является входом устройства управления лучом 2, а выход переменной линии задержки 29 является выходом устройства управления лучом 2.

Вычитающий элемент 4 (фиг.14) конструктивно выполнен так же, как в прототипе, и может включать в себя сумматор 30 и подключенный к одному из входов сумматора 30 фиксированный 180-градусный фазовращатель 31. Сумматор 30 и фиксированный 180-градусный фазовращатель 31 могут быть выполнены на полосковых линиях передачи [20].

Адаптивный фильтр 6 конструктивно выполнен так же, как в прототипе, и может состоять либо из многоканального подавителя боковых лепестков 9 и вычитающего элемента 4 [19], как показано на фиг.2, либо из декоррелятора-преобразователя 10 и блока подавления помех 11, как показано на фиг.3.

Для определенности рассмотрим адаптивный фильтр 6, схема которого приведена на фиг.3. Адаптивный фильтр 6 (см. фиг.3) конструктивно выполнен так же, как в прототип и включает в себя декоррелятор-преобразователь 10 и блок подавления помех 11, входы декоррелятора-преобразователя 10 служат входами адаптивного фильтра 6, выходы декоррелятора-преобразователя 10 подключены к соответствующим входам блока подавления помех 11, один из входов декоррелятора-преобразователя 10 подключен к соответствующему входу блока подавления помех 11, а выход блока подавления помех 11 является выходом адаптивного фильтра 6.

Декоррелятор-преобразователь 10 (см. фиг.6) конструктивно выполнен так же, как в прототипе, и включает в себя m параллельных каналов, по числу ожидаемых помех, первый из которых содержит коррелятор-сумматор 12, второй канал - последовательно соединенные коррелятор-сумматор 12 и компенсатор 13, основной вход которого соединен с выходом коррелятора-сумматора 12. Все остальные каналы содержат последовательно соединенные коррелятор-сумматор 12 и два компенсатора 13, причем в каждом канале основной вход первого компенсатора 13 соединен с выходом коррелятора-сумматора 12, а основной вход второго компенсатора 13 - с сигнальным входом первого компенсатора 13. i-ые (i=1÷N-l) входы всех корреляторов-сумматоров 12 соединены между собой и являются i-ым входом декоррелятора-преобразователя 10 (на фиг.4 эти входы обозначены y₁, y₂,...y_N-l), а (N-l+1)-ый вход p-го коррелятора-сумматора 12 (p=2÷m) соединен с выходом (p-1)-го канала. Основной вход первого блока 12 является дополнительным входом декоррелятора-преобразователя 10.

Компенсационный вход первого компенсатора 13 p-го канала соединен с выходом (p-1)-го канала, а компенсационный вход второго компенсатора 13 p-го канала соединен с выходом (p-2)-го канала. Выходом первого канала (первым выходом декоррелятора-преобразователя 10) является выход блока 12, выходом второго канала - сигнальный выход первого компенсатора 13, а выходом каждого из оставшихся каналов - сигнальный выход второго компенсатора 13 данного канала.

Коррелятор-сумматор 12 (фиг.7) конструктивно выполнен так же, как в прототипе, и состоит из параллельно соединенных компенсаторов 14, взвешенные компенсационные выходы которых соединены с входами сумматора 15, выход которого является выходом блока 12. Компенсационные входы компенсаторов 14 являются первыми (N-l) входами блока 12 (y₁, y₂,...y_N-l), а основные входы соединены вместе и являются (N-l+1)-ым входом блока 12.

Блок подавления помех 11 (фиг.4) конструктивно выполнен также, как в прототипе, и включает в себя m последовательно соединенных компенсаторов 16, причем сигнальный выход каждого предыдущего компенсатора 16, за исключением последнего, соединен с основным входом последующего компенсатора 16, компенсационные входы всех компенсаторов 16 являются m компенсационными входами блока подавления помех 11, основной вход первого компенсатора 16 является основным входом блока подавления помех 11, а сигнальный выход последнего компенсатора 16 - его выходом.

Компенсаторы 13, 14, 16 выполнены так же, как в прототипе, (см. фиг.5), и состоят из двухвходового сумматора 17, первый вход которого является основным входом компенсатора, а второй соединен с выходом первого комплексного перемножителя 18, первый вход которого является компенсационным входом компенсатора и соединен с первым входом второго комплексного перемножителя 19, второй вход которого соединен с выходом двухвходового сумматора 17, являющимся сигнальным выходом компенсатора, а выход второго перемножителя 19 соединен через интегратор 20 со вторым входом первого перемножителя 18. Взвешенным компенсационным выходом компенсатора является выход первого перемножителя 18.

Управляемые переключатели 7 и 8 могут быть механическими, в которых изменения путей прохождения сигналов происходят вследствие перемещений отдельных частей, и электрическими, в которых такие изменения происходят под действием электрических сигналов управления без каких-либо перемещений [13].

Электрически управляемые переключатели СВЧ могут быть выполнены:

1) на коммутационных диодах СВЧ;

2) на подмагниченных ферритах;

3) на газовых разрядниках;

4) на сегнетоэлектрических элементах.

В работе [7] приведены различные варианты схем построения двухканальных переключателей.

Более сложные переключательные структуры могут быть получены либо простым увеличением числа каналов, либо комбинацией двухканальных переключателей. Известно [13], что переключатели - многополюсные устройства, имеющие один или несколько входов и ряд выходов. Сигналы, поданные на входы, поступают по одному или нескольким изменяемым каналам на выходы с минимальными потерями и при выполнении условий согласования. Переключатели обычно выполняются на выключателях. Известно также [13], что выключатели - четырехполюсные приборы, обеспечивающие либо согласованную передачу сигнала со входа на выход (открытое состояние), либо отсутствие передачи сигнала (режим запирания). Режим запирания может быть реализован либо путем полного отражения сигнала, либо за счет его поглощения.

Принцип действия простейших выключателей СВЧ основан на создании короткого замыкания или размыкания проводников в отрезке линии передачи. Более подробно об этом см. в [13]. Короткозамыкатель может быть подключен к линии передачи также через четвертьволновый шлейф. Подобный выключатель пропускает сигнал при включенном короткозамыкателе и осуществляет запирание при разомкнутом шлейфе. На дециметровых и более длинных волнах электромеханические выключатели создают с применением специальных высокочастотных реле и герконов.

На сантиметровых волнах часто применяют механические волноводные выключатели и переключатели. В простейшем выключателе [13] соединение между волноводами производится с помощью волноводного канала в поворотном металлическом роторе. Для надежного электрического контакта на боковой поверхности ротора устроены дроссельные канавки (типа обычного дроссельного фланца). При повороте ротора на 90° волноводу закорачиваются поверхностью ротора, а дроссельные канавки препятствуют просачиванию сигнала по зазору между ротором и корпусом. В более сложном переключателе ротор содержит три волноводных канала, допускающих четыре типа пересоединений между четырьмя входами.

Известны (см. например, [14]) конструкции диодных двухканальных переключателей СВЧ на несимметричном полосковом волноводе. Двухканальный переключатель представляет собой два обычных выключателя, имеющих общий генератор (общий вход).

Известны также [15] низкочастотные схемы управления переключающими устройствами на диодах. Как правило, в состав такой низкочастотной схемы включаются электронные ключи для подачи управляющих сигналов на диоды переключателя и элементы памяти (логическая часть). Принципиальная электрическая схема электронного ключа для управления одним выключателем приведена в [15]. Логическая часть схемы управления переключателями 7 предложенного устройства аналогична по построению схемам, описанным в [16]. На фиг.10 приведен один из возможных вариантов построения такой схемы управления.

Черта над буквой означает в данном случае (фиг.9, фиг.10) логическое отрицание [16]. Если Q_i - логическая единица (уровень напряжения составляет, например, (3,2±0,8) В, то

- логический ноль (уровень напряжения составляет, например, (0,2±0,2) В, и наоборот.

Резисторы 26 обеспечивают режимы работы логических элементов И 24 и логических элементов НЕ 25 в состоянии логического нуля на соответствующем входе логического элемента 24 и 25.

Каждый из выходов схемы управления, приведенной на фиг.10, подключен через электронный ключ [15] (который может входить как в состав схемы управления, так и в состав переключателя 7 (см. фиг.9) к соответствующей диодной группе (одной из двух) каждого из переключателя 7 i-го каскада.

Принцип действия схемы управления заключается в том, что, как и в известных схемах [16], при наличии напряжения уровня логической единицы u₁ на плюсовом выводе i-го диода 22 и минусовом выводе i-го диода 23, соответствующих i-му каскаду вычитающих элементов 4 (то есть при переключении (подключении) соответствующего (i-го) тумблера 21 к шине с напряжением уровня логической единицы u₁) открываются все диоды 23 с первого до (i-1)-го и запираются все диоды 23 с i-го до последнего, l-го, в то время как все диоды 22, за исключением i-го диода 22, закрываются. При этом на выход схемы управления при схемы управления при j≤i поступает напряжение, соответствующее логической единице (логическому нулю), а при j>i, наоборот, на выходы поступает напряжение, соответствующее логическому нулю (логической единице), при этом переключатели 7 всех каскадов с 1-го до i-го включительно подключают выходы вычитающих элементов i-го каскада к соответствующим выходам декоррелятора-преобразователя 10.

Включение тумблеров 21 соответствующего каскада может производиться оператором в зависимости от помеховой обстановки. Схема управления переключателями 8 (фиг.9) может быть выполнена аналогичным образом.

Таким образом, предложенная схема управления в целом реализуема на широко известных устройствах, применяемых в радиотехнике, и для ее реализации не требуется дополнительного изобретательского творчества.

Все элементы предложенного устройства конструктивно могут быть выполнены известным образом, так как сами по себе являются широко известными. При аналоговом исполнении предложенного устройства в качестве перемножителя 19 может использоваться преобразователь частоты или фазовый детектор, в которых разностная составляющая содержит необходимый для комплексно-сопряженного преобразования поворот фазы сигнала.

Комплексный перемножитель 18 может быть выполнен, например, в виде балансного смесителя или балансного модулятора. Если обработка сигналов в предложенном устройстве происходит на промежуточной частоте f_пр, то в качестве интегратора 20 может быть взят узкополосный кварцевый фильтр с центральной частотой f_пр, если же обработка ведется на нулевой частоте, то в качестве интегратора может быть взят низкочастотный фильтр.

Принцип работы предложенного устройства заключается в следующем. Колебания с излучателей 1 усиливаются в блоках 27 и проходят через узкополосные фильтры 28. Далее эти сигналы поступают на переменные линии задержки 29, времена задержки в которых подбираются такими, чтобы направление приема антенной системы совпадало с направлением прихода полезного сигнала 4. Изменяя задержки в линии задержки 29, можно менять направление приема.

Полезный сигнал от точечного источника с частотой f_o имеет плоский фронт волны, поэтому, если линии задержки 29 настроены на прием с данного направления, то сигналы Т₀, Т₁,...,Т_n на выходах линии задержки 29 будут включать в себя полезный сигнал S_о с одинаковой амплитудой и фазой и помеховые колебания:

где B_i - комплексная огибающая помехового колебания в i-м излучателе, являющегося суммой колебаний от всех мешающих источников.

В предложенном устройстве (см. фиг.8) формируется основной канал (сигнал Z_O) и m компенсационных (сигналы Z₁,Z₂,...,Z_m) для вычитания помеховых колебаний из сигнала основного канала.

С выходов линий задержки 29 сигналы Т₀, Т₁,...,Т_N поступают на первый сумматор 3, на выходе которого образуется сигнал y₀=T₀+T₁+...+Т_N и на вычитающие элементы 4 нулевого каскада, на выходах которых образуются N разностных сигналов .

Из (1) можно найти, что

На выходах дополнительных сумматоров 5 первого каскада образуются (N-1) сигналов .

Из (2) можно найти, что

Рассуждая аналогично, можно показать, что

и так далее.

Как видно из (2-5), на выходах компенсационных каналов полезный сигнал отсутствует, что позволяет, как известно [9], подавлять помехи без ослабления полезного сигнала.

Как будет показано ниже, сигналы в декорреляторе-преобразователе 10 преобразуются в m некоррелированных сигналов z_i, которые затем в блоке подавления помех 11 вычитаются из сигнала z₀=y₀ основного канала с оптимальными весовыми коэффициентами.

Для лучшего понимания нижеизложенного материала рассмотрим работу одноканального автокомпенсатора [9, 10] (см. фиг.5).

Пусть на основном входе компенсатора присутствует сигнал y(t), а на компенсационном - x(t), и эти сигналы комплексны. Тогда на выходе компенсатора сигнал v(t) записывается следующим образом:

v(t)=y(t)+w(t)·x(t),

где w(t) - комплексный весовой коэффициент в компенсационном канале (на втором входе первого перемножителя 18). В дальнейшем обозначение зависимости от времени для краткости записи будем опускать.

Как известно, [9], в данной схеме весовой коэффициент изменяется таким образом, чтобы минимизировать мощность шумов на выходе компенсатора. Переходные процессы в схеме представляются следующим уравнением:

где k и τ - коэффициент передачи и постоянная времени интегратора соответственно.

Для стационарного состояния, когда , из (7) можно найти, что

где черта сверху означает усреднение по времени. Отсюда следует, что на выходе первого перемножителя 18 взвешенный компенсационный сигнал ν_комп. будет равен

а на выходе компенсатора будем иметь:

На примере двухэлементной АР, подключенной ко входам компенсатора, можно показать, что выражение (10) определяет минимум шума на выходе такой системы.

Как показано в [9], выходное напряжение ν при этом некоррелировано с напряжением ν_комп. в компенсационном канале, что можно также видеть непосредственно из (10).

Рассмотрим теперь процесс преобразования N компенсационных сигналов y₁,y₂,...,y_N в m некоррелированных компенсационных сигналов z₁,z₂,...,z_m (см. фиг.6 и 7).

Из (9) и фиг.7 следует, что на выходе блока 12 образуются сигналы

где i - номер канала декоррелятора-преобразователя 10.

Далее на сигнальном выходе первого компенсатора 13 i-го канала с помощью (10) сигнал можно записать следующим образом:

И, наконец, на сигнальном выходе второго компенсатора i-го канала декоррелятора-преобразователя 10 сигнал будет равен:

Таким образом, на выходах декоррелятора-преобразователя 10 образуются сигналы

Если для удобства ввести в рассмотрение нормированный корреляционный вектор

и вектор y=(y₁,y₂,...,y_N) сигналов на входах блока 10, то из выражений (11), (12) и (13 ) сигналы z₁, z₂,...,z_m на выходах блока 10, можно записать в форме, позволяющей наиболее наглядно показать некоррелированность сигналов z_i между собой:

где знак "+" означает комплексное сопряжение и транспортирование, М_н - корреляционная матрица с нормированными элементами

а коэффициенты α_i-1 и β_i-2, как следует из (11-13), определяются следующими выражениями:

где М - корреляционная матрица с ненормированными элементами

.

Очевидно, что выражения (16) не изменятся, если в них заменить матрицу М на матрицу Мн.

Покажем теперь, что сигналы z_i на выходах блока 10 некоррелированы между собой. Для этого можно непосредственно вычислить произведение , основываясь на формулах (15) и (16). Однако, предположим, что коэффициенты α_i-1 и β_i-2 нам неизвестны, и найдем их из условия некоррелированности сигналов z_i. Имеем

где учтено, что . Домножим слева вектор F_j из (15) на вектор (MF_j-1)⁺ и учтем (17). В результате получим для коэффициента α_j-1 выражение, в точности совпадающее с (16). Затем домножим слева вектор F_j из (15) на вектор (MF_j-2)⁺ и, учитывая (17), придем для коэффициента β_j-2, к выражению (16). Отсюда следует, что сигналы z_i некоррелированы между собой.

Последовательный процесс вычитания помеховых колебаний из суммарного сигнала на выходе сумматора 3 осуществляется в блоке подавления помех 11 следующим образом (см. фиг.4).

На основной вход блока 11 поступает сигнал z₀=y₀, представляющий собой в соответствии с (2) смесь полезного сигнала S₀ и мешающих сигналов B_i. На компенсационные входы этого блока поступают сигналы z_i.

Важно отметить, что, как следует из (2-5), сигналы y_i, а, следовательно, и сигналы z_i не содержат полезный сигнал S₀. Поэтому при вычитании помеховых колебаний z_i из суммарного колебания z₀ полезный сигнал сохраняется и остается равным в соответствии с (2) NS₀, то есть остается таким же, как в антенной решетке, настроенной на полезный сигнал.

Некоррелированность сигналов z_i позволяет реализовать процесс вычитания помех последовательно. На выходе первого компенсатора 16 сигнал, как это можно увидеть из (10), запишем следующим образом:

Аналогично, на выходе второго компенсатора сигнал с учетом некоррелированности z₁ и z₂ равен

И, наконец, сигнал на выходе последнего, m-го, компенсатора, который является выходным сигналом антенной решетки, запишется следующим образом:

Так как сигналы z_i (i=1÷m) некоррелированы между собой и содержат только помеховые колебания, то на выходе антенной решетки обеспечивается минимально возможное значение мощности сигналов z_i, а, следовательно, и мощности мешающих сигналов B_i в излучателях решетки. При этом полезный сигнал S₀ остается постоянным и не ослабляется в процессе адаптации антенной решетки.

Подавление мешающих сигналов должно осуществляться только по боковым лепесткам (БЛ) и должно быть существенно ограничено или полностью отсутствовать в области главного луча [5]. Это возможно, если компенсационные приемные каналы имеют разностные ДН. Для расширения области защиты главного луча от подавления или искажения в предлагаемом устройстве, как и в прототипе, на ДН разностных каналов накладываются дополнительные ограничения, а именно, равенства нулю не только значений, но и производных разностных ДН в точке максимума главного луча АР. Предлагаемое устройство позволяет упростить и сократить объем аппаратуры, а также снизить потери при сохранении функциональных возможностей. Указанный положительный эффект достигается тем, что в предлагаемом устройстве уменьшено число вычитающих элементов по сравнению с прототипом. Возможность данного уменьшения числа вычитающих элементов обеспечена в предлагаемом устройстве попарно противофазным включением вычитающих элементов.

На фиг.8 изображены структурная схема предложенного устройства. Для определенности рассмотрим линейную эквидистантную АР. Пусть направление на источник сигнала составляет угол θ с осью АР. ДН каналов АР (по напряжению) определяются выражением [11]:

где f(θ) - ДН одного элемента АР;

- весовые множители, приписываемые сигналам соответствующих элементов АР в предлагаемом устройстве (р=1÷N);

- волновое число;

λ - длина волны;

d - расстояние между соседними элементами АР;

ж - нормирующий множитель.

В матричной форме выражение (21) для ДН p-го канала АР можно представить как скалярное произведение весового вектора и вектора пробного сигнала [11]:

где

Для разностной ДН по определению , тогда из (21), (22) получаем

Весовой вектор для разностной ДН ортогонален вектору сигнала

Весовые векторы, удовлетворяющие условию (23), из (N+1) компонент имеют N независимых. Таким образом, число независимых векторов , которым отвечают независимые разностные ДН, не может превышать N.

Сигналы на выходах нулевого каскада вычитающих элементов (фиг.8) имеют вид:

или

где ψ=κd cosθ для рассматриваемого случая синфазного возбуждения [12].

Из выражения (24) видно, что сигнал на выходе p-го вычитающего элемента нулевого каскада можно получить, присвоив компонентам весового вектора нулевые значения за исключением и . При этом будет выполняться условие (23). Вводя для нулевого каскада вычитающих элементов матрицу преобразования вида

связь между входными и выходными сигналами можно представить в виде:

.

Поскольку ранг матрицы равен N, компоненты вектора сигнала линейно независимы. Амплитудная ДН по напряжению каждого из сигналов на выходе нулевого каскада вычитающих элементов (штрихпунктирная кривая) приведена на фиг.11. Для сравнения на фиг.11 приведена суммарная ДН пятиэлементной АР (кривая 1):

Для определенности на фиг.11 и 12 принято d/λ=0,6.

Из фиг.11 видно, что рассматриваемые разностные ДН (штрихпунктирная кривая) имеют значения, равные нулю в области главного луча только в одной точке. В ряде применений (например, в системах подавления помех и мешающих отражений) это может приводить к подавлению или искажению сигналов, принимаемых в пределах главного луча суммарной ДН ФАР. Уменьшения степени подавления сигналов в главном луче можно достичь, используя ДН с "плоским" нулем, например, типа приведенной на фиг.11 (пунктирная кривая). Для формирования таких разностных ДН требуется наложить дополнительные условия, например, равенства нулю всех производных по θ до K-го порядка включительно:

Можно показать, исходя из выражений (21) и (22), что эти условия эквивалентны наложению на коэффициенты весового вектора условий

где

Условия (23) в (29) означают, что по крайней мере (K+1) весовых коэффициентов выражаются через линейные комбинации остальных. Компоненты весового вектора являются линейно зависимыми, число линейно независимых компонент составляет (N-K). Значит, линейно независимых разностных ДН АР, удовлетворяющих (K+1) условиям и (28), для АР из (N+1) элементов может быть не более (N-K).

Пример реализации (N-2) линейно независимых разностных ДН АР, удовлетворяющих условиям (23) и (28), приведен на фиг.8. Сигналы на выходах дополнительно включенных сумматоров 5 первого каскада предложенного устройства имеют вид или , следовательно, из выражения (25) получаем

Из фиг.8 видно, что сигнал на выходе p-го дополнительного сумматора первого каскада можно получить присвоением компонентам весового вектора нулевых значений, за исключением W_p=1, W_p+1=-2, W_p+2=1, то есть условия (23) и (28) для этих сигналов выполняются. Следовательно, в матричной форме сигналы можно представить как компоненты вектора сигнала ,^{образованного произведением вектора сигнала , представляющего собой произведение вектора сигнала , на трехдиагональную матрицу}

состоящую из (N+1) столбцов и (N-1) строк:

Поскольку ранг матрицы равен (N-1), компоненты вектора сигнала линейно независимы. Амплитудная ДН по напряжению каждого из каналов приведена на фиг.11 (пунктирная кривая).

Аналогично можно показать, что дополнение предложенного устройства вторым, третьим и так далее каскадами дополнительно введенных сумматоров 5 (фиг.8) позволит подучить разностные ДН с еще более "плоским" нулем. Сигнал на выходе p-го дополнительного сумматора 5 j-го каскада будет иметь вид

а в матричной форме

Для j=2 и j=3 матрицы преобразования сигналов будут четырех- и пятидиагональными:

состоящими из (N-2) и (N-3) строк соответственно и из (N+1) столбцов каждая. Их ранги равны (N-2) и (N-3), поэтому сигналы на выходах дополнительных сумматоров 5 соответствующих каскадов линейно независимы и, как легко проверить, удовлетворяют условиям (23), (28), (29). Для получения разностной ДН с еще большим количеством ограничений предложенное устройство может включать дополнительно следующие каскады дополнительных сумматоров 5 вплоть до (N-1)-го. ДН такого разностного канала АР в точке (θ=90°) будет иметь нулевое значение и равные нулю производные до (N-1)-го порядка включительно.

На фиг.12 приведены ДН разностных каналов предложенного устройства для разного числа каскадов: l=1 - пунктирная кривая, l=2 - сплошная кривая 2, l=3 - штрихпунктирная кривая.

Расчеты показывают, что максимальный уровень разностных ДН с "острым" нулем (сигналов на выходе нулевого каскада вычитающих элементов) в пределах главного луча АР по уровню 3 дБ составляет -19 дБ.

Максимальные уровни ДН с "плоским" нулем в том же секторе углов (сигналов на выходах первого, второго и третьего каскадов дополнительно введенных сумматоров) составляют -31 дБ, -43 дБ, -57 дБ соответственно.

Поскольку каждый из вычитающих элементов 4 (см. фиг.14) состоит из фиксированного 180-градусного фазовращателя 31 и сумматора 30, то в предложенном устройстве по сравнению с прототипом отсутствуют фазовращатели 31 в первом и последующих каскадах дополнительных сумматоров 5. Кроме того, как понятно из фиг.14, потери в вычитающем элементе 4 больше, чем во входящем в его состав сумматоре 30, поскольку в вычитающем элементе 4 последовательно с сумматором включен еще фиксированный 180-градусный фазовращатель 31. Практически сумматор 30, например, на высокой частоте (в метровом диапазоне длин волн) реализован в микрополосковом исполнении на подложке из поликора размером 24×30 мм, а вычитающий элемент 4 - на двух подложках из поликора размером 60×48 мм и 48×15 мм. При этом потери сигнала в сумматоре составляют порядка 0,3 дБ, а в вычитающем устройстве - порядка 1,5 дБ.

Таким образом, в предложенном устройстве достигнут положительный эффект, заключающийся в снижении потерь, упрощении и сокращении объема аппаратуры за счет уменьшения числа вычитающих элементов при сохранении функциональных возможностей.

Важно отметить, что наложение дополнительных условий на ДН разностных каналов АР с целью создания более "плоского" нуля этих ДН приводит, как указано выше, к уменьшению числа линейно независимых разностных каналов АР. Как известно, число эффективно подавляемых АР помех равно числу линейно независимых разностных каналов АР. В связи с этим для достижения максимального уровня защиты сигналов в главном луче ДН АР в случае воздействия небольшого числа мощных помех целесообразно иметь АР с большим числом каскадов дополнительных сумматоров l, в то же время при воздействии большого числа помех эффективного подавления их в области боковых лепестков можно добиться при организации в АР линейно независимых разностных каналов, число которых будет не меньше числа помех, что приводит к уменьшению числа используемых каскадов дополнительных сумматоров 5 предложенного устройства.

Поэтому предложенное устройство (фиг.9) содержит переключатели 7 и 8, с помощью которых может осуществляться подключение ко входам адаптивного фильтра 6 выходов вычитающих элементов 4 и дополнительных сумматоров 5 любого из каскадов.

Таким образом, в предложенном устройстве достигнут также положительный эффект, заключающийся в расширении функциональных возможностей за счет изменения зоны защиты полезных сигналов в зависимости от помеховой обстановки.

Источники информации

1. Special Issue on Adaptive Antennas. - IEEE Trans., 1976, v. AP-24, № 5, p. 573-768.

2. Mayhan J.T. Adaptive Nulling with Multiple-Beam Antennas. - IEEE Trans., 1978, v. AP-26, № 2, p. 267-273.

3. Левшин В.П., Стручев В.Ф. Адаптивные фазированные антенные решетки с ограниченным числом степеней управления. Зарубежная радиоэлектроника, 1982, № 1, с. 31-42.

4. Патент США № 3876947, НКИ 325/367, 1975.

5. Теоретические основы радиолокации. Под ред. В.Е.Дулевича. М.: Сов. Радио, 1978, с.472-473.

6. Самойленко В.И., Шишов Ю.Я. Управление фазированными антенными решетками. М.: Радио и связь, 1983, с.112.

7. Ильченко М.Е., Осипов В.Г. Электрически управляемые СВЧ переключатели на полупроводниковых диодах (обзор). Радиоэлектроника. Изв. ВУЗов СССР, 1977, т.ХХ, № 2, с.5-17.

8. Полов К.П. Адаптивный компенсатор помех. Радиотехника, 1979, т.34, № 1, с.19-24.

9. Ширман Я.Д., Манжос В.Н. Теория и техника обработки радиолокационной информации на фоне помех. М.: Радио и связь, 1981.

10. Корбанский И.Н. Антенны. М.: Энергия, 1973, с.83-85.

11. Смирнов В.И. Курс высшей математики. М.: Наука, 1974, т.III, ч.1, с.45-46, 53.

12. Марков Г.Т., Сазонов Д.М. Антенны. М.: Энергия, 1975, с.29, 238.

13. Сазонов Д.М., Гридин А.Н., Мишустин Б.А. Устройства СВЧ. М.: Высш.школа, 1981, с.240-242.

14. Конструирование и расчет полосковых устройств. Под ред. И.С.Ковалева. М.: Сов.радио, 1974, с.238-240.

15. Хижа Г.С., Вендик И.Б., Серебрякова Е.А. СВЧ фазовращатели и переключатели: Особенности создания на pin-диодах в интегральном исполнении. М.: Радио и связь, 1984, с.169.

16. Гутников В.С. Интегральная электроника в измерительных приборах. Л.: Энергия, 1974, с.94.

17. Авторское свидетельство СССР № 1840427, кл. H 01 Q 3/26. 2007. Адаптивная антенная решетка, авторы Григорьевский А.В., Ермолаев В.Т., Лузгин Л.С.

18. Applebaum Sidnev P., Chapan Dean J. Adaptive arrays with main beam constraints. IEEE Trans on Antennas and Propag., vol. AP-24, № 5, 1976, p. 650-652, fig.2.

19. Малорацкий Л.Г. Микроминиатюризация элементов и устройств СВЧ. М.: Сов.радио, 1976, с.165-171, 190-191.

Изобретение относится к области радиотехники и может быть использовано для пространственной обработки сигналов в приемных антенных решетках. Антенная решетка содержит (N+1) канал, каждый из которых включает в себя последовательно соединенные излучатель и устройство управления лучом, сумматор, N вычитающих элементов, адаптивный фильтр. Технический результат - снижение потерь, упрощения и сокращения объема аппаратуры за счет уменьшения числа вычитающих элементов при сохранении функциональных возможностей. Это достигается тем, что выход 2q-го устройства управления лучом подключен к отрицательным входам (2q-1)-го и 2q-го вычитающих элементов, выход (2q+1)-го устройства управления лучом подключен к положительным входам 2q-го и (2q+1)-го вычитающих элементов, а выход (N+1)-го устройства управления лучом подключен к оставшемуся свободным входу N-го вычитающего элемента. В антенную решетку дополнительно введены включенные покаскадно параллельно в каждом каскаде дополнительные сумматоры. Выходы вычитающих элементов и дополнительных сумматоров каждого каскада, кроме последнего, подключены ко входам дополнительных сумматоров следующего каскада, при этом выход первого вычитающего элемента или дополнительного сумматора предыдущего каскада подключен к первому входу первого дополнительного сумматора следующего каскада. 1 з.п. ф-лы. 14 ил.

1. Антенная решетка, содержащая (N+1) канал, каждый из которых включает в себя последовательно соединенные излучатель и устройство управления лучом, сумматор, N вычитающих элементов, адаптивный фильтр, причем выход каждого устройства управления лучом подключен к соответствующему входу сумматора, выход первого устройства управления лучом подключен к положительному входу первого вычитающего элемента, выход сумматора подключен к соответствующему входу адаптивного фильтра, отличающаяся тем, что,с целью снижения потерь, упрощения и сокращения объема аппаратуры за счет уменьшения числа вычитающих элементов при сохранении функциональных возможностей, выход 2q-го устройства управления лучом подключен к отрицательным входам (2q-1)-го и 2q-го вычитающих элементов, выход (2q+1)-го устройства управления лучом подключен к положительным входам 2q-го и (2q+1)-го вычитающих элементов, выход (N+1)-го устройства управления лучом подключен к оставшемуся свободным входу N-го вычитающего элемента, при этом в антенную решетку дополнительно введено дополнительных сумматоров, включенных покаскадно параллельно в каждом каскаде, выходы вычитающих элементов и дополнительных сумматоров каждого каскада, кроме последнего, l-го, подключены ко входам дополнительных сумматоров следующего каскада, при этом выход первого вычитающего элемента или дополнительного сумматора предыдущего каскада подключен к первому входу первого дополнительного сумматора следующего каскада, выход р-го вычитающего элемента или дополнительного сумматора предыдущего каскада подключен к первому входу р-го дополнительного сумматора следующего каскада и ко второму входу (р-1)-го дополнительного сумматора следующего каскада, выход последнего (N-j+1)-го вычитающего элемента ИЛИ дополнительного сумматора предыдущего каскада подключен ко второму входу последнего (N-j)-го дополнительного сумматора следующего каскада, причем выход (N-l-1) дополнительных сумматоров последнего, l-го каскада, подключены раздельно к соответствующим входам адаптивного фильтра.2. Антенная решетка, по п.1, отличающаяся тем, что, с целью расширения функциональных возможностей за счет управления зоной защиты полезных сигналов в зависимости от помеховой обстановки, в нее дополнительно введены первых управляемых переключателей на два направления по числу вычитающих элементов и дополнительных сумматоров, за исключением дополнительных сумматоров последнего каскада, (N-1)-вторых управляемых переключателей, из них (N-l) переключателей на (l+1) направление, а каждый последующий из вторых переключателей, начиная с (N-l+1)-го, имеет на один вход меньше, чем предыдущий, при этом вход каждого из первых переключателей подключен к выходу соответствующего вычитающего элемента или дополнительного сумматора, один из выходов каждого из первых переключателей подключен ко входу соответствующего дополнительного сумматора следующего каскада, другие выходы каждого из первых переключателей, за исключением последнего, N-го переключателя первого каскада, подключены раздельно к соответствующим входам соответствующих вторых переключателей, причем упомянутые выходы первых по порядку первых переключателей каждого каскада подключены раздельно к соответствующим входам первого из вторых переключателей, упомянутые выходы S-х по порядку первых переключателей каждого каскада подключены раздельно к соответствующим входам S-го дополнительно введенных из вторых переключателей, за исключением последнего N-го из первых переключателей первого каскада, выход которого, наряду с каждым из выходов вторых переключателей, подключены раздельно к соответствующим входам адаптивного фильтра.