Адаптивная антенная решетка

 

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.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК

ГОСУДАРСТ8ЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Ф »

l » Фиг.t

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4860135/09 (22) 14.08.90 (46) 07,05.92, Бюл. М.17 (71) Ленинградский научно-исследовательский радиотехнический институт (72) Ф.И.Нагаев (53) 621.396.677(088.8) (56) Самойленко В.И., Шишов Ю.А» Управление фазированными антенными решетками. — M.. Радио и связь. 1983, с.113. рис. 4, 8а.

Р (54) АДАПТИВНАЯ АНТЕННАЯ РЕШЕТКА (57) Использование: в системах радиолокации и радионавигации с адаптивными антенными решетками (AAP) для обеспечения

ЯЛ 1732408 А1 (и)з Н 01 Q 21/00 приема нескольких полезных сигналов на фоне помех при сохранении габаритов апертуры AAP. Сущность изобретения: устройство содержит M . N антенных элемейтов

1, соединенных через малошумящий усилитель 2 и P-канальный делитель 3 мощности с соответствующими входами P сигнальных процессоров 5 (P — количество принимаемых сигналов), каждый из которых состоит из M . .N фаэовращателей 6. матрицы

Батлера 7, коммутатора 8, системы адаптации 9 и сумматора 10. При этом управляю щие сигналы блока 4 управления соответствуют определенному закону. 2 ил.

10,">О

Изобретение Относится к радиотехнике и может быть использовано в системах радиолокации и радионаВИгзции (l адаптивными антенными решетками (ААР); позволяющими автоматически устанавливать нули диаграммы напраа ален ности (ДН) В направлении источников помех, уменьшая уровень помех и обеспечивая тем самым обнару>кение полезных сигналов и измерение их параметРОВ, При работе в составе связной и радионавигационной аппаратуры ААР должна

Обеспечивать надежный прием и обработку нескольких ортогональных пространственно-разнесенных или слабокоррелированных полезных сигналов и подавление помех. При этом помехозащищенность ААР определяется количеством подавляемых помех, Увеличение количества подавляемых 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 содержит приемный антенный элемент (АЭ) и весовой умножитель, Выходы которых подключены к сумматору, блок формирования весовых коэффициентов, классификатор наличия полезного сигнала и ключ. Известная AAP обладает

Высокой помехозащищенностью при приеме достаточно мощных и длительных полезных сигналов.

Однако данная ААР требует большого отношения сигнал/шум на входе и позволяет Вести прием одновременно только одного 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 нз выходах всех каналов,; формирования весовых коэффициентов, Входы которого подключены к выходам приемных антенных элементов, а

Выходь! K вторым Входам весовых умножи" телей, Известная AAP предназначена для подавления помех по боковым лепесткам

ДН, Однако известная ААР не может принимать достз го-н1о мощные и длительные сигналы без иСпОльзования специальной синхронизации времени их прихода, Кроме -îãî,,известная

ААР позволяет Вести прием только одного полезного сигнала на фоне помех.

Известна также ААР, содер>кащая N антенных элементов с предусилителями и контурами адаптивного управления, состоящими из двух корреляционных смесителей, усилителей и сумматоров, подключенными к входам общего сумматора, Недостатком известной AAP является снижение ее помехозащищенности при одновременном приеме нескольких полезных сигналов из разных источников на фоне помех.

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

Известное устройство работает следу ощим образом.

Матрица Бзтлера в совокупности с антенными элементами решетки формирует систему ортоганальных ДН, число которых равно числу входов матрицы Батлера, при этом главный лепесток каждой из них приходится нз 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 lla корректирующий вход системы адаптации, Тзк как нзпрззление на источники помех может меняться и нельзя исключить влияния других шумов, процесс адаптации происходит непреры вно.

Такая антенна может обеспечить прием лишь от одного источника полезного сигнала, 8 случае необходимости вести одновременный прием нескольких полезных сигналов, например P полезных сигналов, требуется Р таких ААР, содержащих соответственно Р М N антенных элементов. Последнее приведет к увеличению апертуры

AAP„что не всегда возможно в метровом и длинноволновой части дециметрового диапазона. Пусть, например M N = 6 (количест1732408 во антенных элементов определяется в основном из соображений энергетики радиолиний с числом подавляемых помех), А = 75 см. Межэлементное расстояние d = А/2.

Тогда размер апертуры антенны составит (M N-1) ° d 0,75/2=1,875 м, Пусть в тех же условиях необходимо обеспечить одновременный приам от четырех источников полезного сигнала, тогда размер апертуры станет равным 4 . (М-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 фазовраща.тели, матрицу Батлера М,N, где М вЂ” число строк матрицы Батлера; N — число столбцов, коммутатор, а также систему адаптации, информационные входы которой подключены

I< 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 фаэовращателей равно М.N, управляющий вход коммутатора соединен с первым выходом устройства управления, второй выход которого соединен с обьединенными управляющими входами фазовращателей, выход сумматора сигнального процессора является выходом адаптивной антенной решетки, дополнительно введены (Р-1) сигнальный процессор, где Р— количество принимаемых полезных сигналов, каждый антенный элемент подключен к одноименным входам сигнальных процессоров через дополнительные последовательно соединенные малошумящий усилитель и Р-канальный делитель мощности, а устройство управления формирует управляющие сигналы в соответствии с математическими выражениями

Фа = ((Int(n/4) - 1,5)х (byõ } + — 2(n<,(î)/e Л) . х rcu d )+

+(4f. (и /4)-1,5). х л (фу } + g (4 г ("о } /4 — 1,5 д, 1) xrou

5 (Fo =4Kx+ Ку, (2) где 1 — номер сигнального процессора, совпадающий с номером источника полезного сигнала;

10 Fo — номер луча, фазовые градиенты ! которого наиболее близки к направлению прихода соответствующего полезного сигнала;

Ьф<, h,+ — фазовые градиенты в на15 правлении осей Х и Y соответственно;

n — номер антенного элемента; д — дискрет фазовращателя;

rou — оператор округления до ближай-. шего целого;

20 red — оператор перевода из градусов в радианы;

Int — оператор выделения целой части вещественного числа;

fi — оператор выделения дробной части

25 вещественного числа;

К, Ку — вспомогательные коэффициенты, Это обеспечивает возможность одновременного приема ААР нескольких ортого30 нальных или слабокоррелированных полезных сигналов на фоне помех без увеличения апертуры ААР, при этом количество полезных сигналов, которые может принять одновременно AAP определяется количест35 вом сигнальных процессоров.

Совокупность перечисленных признаков является новой и не обнаружена в известных технических решениях. Это определяет существенные отличия предла40 гаемой AAP и обеспечивает возможность надежного приема и обработки нескольких ортогональных пространственно-разнесенных полезных сигналов и подавления помех без увеличения апертуры ААР, что особенно

45 важно для связной и навиг" öèîííîé аппаратуры, используемой на летательных аппаратах и наземных обьектах ограниченных размеров.

На фиг. 1 представлена структурная схе50 ма предлагаемой адаптивной антенной решетки; на фиг. 2 — блок-схема алгоритма определения номера луча, фэзовые градиенты которого наиболее близки к направлению прихода соответствующего полезного

55 сигнала, а также фазовых сдвигов дискретных фазовращателей.

AAP содержит М.N антенных элементов

1, последовательно соединенных с М-N малошумящими усилителями 2, выходы которых соединены с M N Р-канальными

1732408 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 в состав ААР, равно количеству источников полезных сигналов.

Устройство работает следующим образом, Сигналы с выходов антенных элементов (A3j 1 усиливаются малошумящими усилителями 2 и разделяются делителями 3 мощности на Р групп (по O N сигналов в каждой группе). Число групп, т,е. число каналов делителей мощности, определяется числом источников полезных сигналов, которые в состоянии одновременно обработать ААР на фоне помех. С выходов делителей мощности сигналы поступают на одноименные входы каждого из сигнальных процессоров

5, т,е, на первые входы фаэавращателей 6.

Одновременна на управляющие входы фа, эавращателей 6 и коммутаторов 8 каждого сигнального процессора поступают сигналы с выхода устройства управления, содержащие информацийка об,угловых координатах источников полезных сигналов и номер луча Fo. Устройство управления вырабатывает управляющие сигналы в соответствии с математическими выражениями (1) и (2).

Вспомогательные коэффициенты опредеаватся в соответствии с математическими выра>кениями

«Л ,если Аф< —

1,еслибы/2 > Лф 0

2,если 0 > Лфх — ж/2

Л.

3 GCJIM — .> Ьф(2 л если Ь|/)у — если г/2 > Лфу 0

У ,если 0 > Лф„ — m/2 (3)

Л

3 если — — > Лфу

2 У где Ьф,, Ьф — фазавые градиенты в направлении осей Х и Y соответственно. (ЬФ ) =-(Ь) — (yМ вЂ” 1 )

Ий) =(м.) -(v ) где ф -- фазы сигналов на выходах антен(gPn )((опт(п/4) - 1,5) Kd sin(Voo) cos()1

- (а,{п/4) -1,5)rd эй(/,) эЬ (р, ), где n — номер антенного элемента; (\/о) (+ ) — угловые координаты источ1

-ников полезных сигналов;

К вЂ” коэффициент фазы, равный 2 rt/А, где Л- длина волны, d — расстояние между элементами адаптивной антенной решетки.

Величины Л вЂ” длина волны: К - 2гс/Л вЂ” коэффициент фазы; d — расстояние между элементами решетки; А = 1,5 являются константами, Известно также количества, антенных элементов M N. Определение фазы сигналов на выходах антенных элементов происходит поочередно для каждого антенного элемента (и — номер антенного элемента).

Угловые координаты источников полезных сигналов априорно известны. Вместе с константами (Л, К, d, А) ани 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 Vo u ро, их значения поступают из ПЗУ в арифметическое устройство (АУ).

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

4Q =ф — фм — i

Л4 =Ф -Ф

Вычисление номера луча F<, фаэовые градиенты которого менее всех отличаются ат Лф, и Лф, осуществляется в соответствии с формулой

40 Ро — 4Кх+ Ку и его значение заносится в 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 ц0 управляющее вычислительное "Электроника ДЗ-28".

Сигнал, содержащий информацию о фазовых сдвигах фазовращателей, поступает на управляющие входы всех фазовращате55 лей. 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

1732408 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 М N каналов, каждый из которых состоит из антенного элемента, где M — число строк, N — число столбцов, блок управления и первый сигнальный процессор, состоящий из МN 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 адаптивной антенной решетки, при этом управляющий вход коммутатора соединен с первым выходом блока управления, второй выход которого соединен с управляюьцими входами фазавращателей, о т л и ч а ю щ а я с я тем, что, с целью повышения помехозащищенности за счет увеличения количества принимаемых сигналов на фоне помех при сохранении габаритов антенной решетки, дополнительно введены (P-1) сигнальных процессора, где Р— число принимаемых по -. лезных сигналов, а в каждый канал - послеФп = ((lnt(n/4) - 1,5)х (h,y ) + — (in< (F. ) l4 — 1.5 )

15 A rou

rad

-)+

+ (4r (n!4}-1,,5) х

С "l ) +"-(4r,-СF.) 4 — 1 ) габ 35

x rou

Fo =4 Kx+Ky

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

Fo — комер луча, фазовые градиент. ! которого совпадают с направлением при>л.— да соответствующего полезного сигнала:

Л1/4, ЬД, — фазовые градиенты в направлении осей Х и Y соответстэенно;

n — номер антенного элемента; д — дискрет фазовращателей;

rou — оператор округления до ближайшего целого;

rad — оператор перевода из градусов в радианы; . int — оператор выделения целой части вещественного числа;

fI. — оператор выделения дробной части вещественного числа;

Кх, Ky — вспомогательные коэффициенты. довательно соединенные малошумящий усилитель и Р-канальный делитель мощности, выходы которого соединены с одноименными входами соответствующего

5 сигнального процессора, при этом вход малошумящего усилителя подключен к выходу соответствующего а ITGHHOIQ элемента, а блок управления выполйен с возможностью формирования сигнала в соответствии с ма10 тематическим выражением

1732408

Составитель Ф.Нагаев

Техред М.Моргентал Корректор f.Màëåö

Редактор Г.Гербер

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул,Гагарина, 101

Заказ 1587 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5