Контур управления адаптивной антенны

 

Изобретение относится к антенной технике и может быть использовано для адаптации радиотехнических систем с антенными решетками к помеховой обстановке, например в системах радиосвязи и радиолокации. Задачей изобретения является уменьшение зависимости времени адаптации контура управления адаптивной антенной решетки от помеховой обстановки и уменьшение его времени адаптации. Решение задачи достигается введением в известный контур управления дополнительного контура управления. Дополнительный контур управления содержит два смесителя, усилитель и два сумматора и введен между выходом элемента антенной решетки и выходом фильтра низких частот. 1 ил.

Изобретение относится к радиотехнике, в частности к антенной технике, и может быть использовано в системах радиосвязи с псевдошумовыми сигналами, когда уровень полезного сигнала меньше или сравним с уровнем шумов, а также в радиолокации для адаптации к помеховой обстановке в те периоды времени, когда полезный сигнал на входе приемной антенны отсутствует.

Известны различные схемы контуров управления адаптивных антенн (пат. США NN 3982245, 4129873), а также адаптивный контур, описанный в [3]).

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является адаптивный контур управления антенной решетки (АР), описанный в [3]. Данный контур управления содержит второй смеситель, один из входов которого соединен с выходом элемента антенной решетки, а другой вход которого соединен с выходом первого сумматора сигналов антенной решетки, усилитель, фильтр низких частот, второй сумматор, суммирующий вход которого соединен с выходом источника опорного сигнала, а разностный вход - с выходом фильтра низких частот, первый смеситель, один из входов которого соединен с выходом антенного элемента, другой вход - с выходом второго сумматора, а выход - с одним из входов первого сумматора, причем количество входов первого сумматора равно числу элементов антенной решетки, а остальные входы первого сумматора соединены с выходами вторых смесителей других контуров управления.

Динамика изменения весовых коэффициентов в контуре управления прототипа при воздействии помех описывается уравнением (см. [3]) где τ - постоянная времени фильтра низкой частоты; W - вектор весовых коэффициентов; W₀ - вектор опорных сигналов; I - единичная матрица; γ - параметр, характеризующий коэффициент передачи смесителя и усилителя; R - корреляционная матрица сигналов на выходах антенных элементов.

При воздействии на антенну помех в виде единичного скачка переходный процесс в контуре управления определяется максимальным разбросом экспонент с показателями вида α_k= (1-γλ_k)/τ,
где
k = 1, 2,..., n;
n - число контуров управления в антенной решетке;
λ_k-k-e - собственное значение корреляционной матрицы R.

На практике разброс собственных значений λ_k достигает нескольких порядков. Это обусловливает следующий основной недостаток: зависимость времени адаптации от помеховой обстановки, т.е. от количества одновременно воздействующих помех, их мощности и направлений прихода. Данное обстоятельство ограничивает быстродействие адаптивного контура управления.

Задачей, на решение которой направлено изобретение, является уменьшение зависимости времени адаптации контура управления от помеховой обстановки и уменьшение его времени адаптации.

Решение задачи достигается введением дополнительного контура управления в известный контур управления между выходом элемента решетки и входом фильтра низких частот. Дополнительный контур управления вводится в каждый канал антенной решетки. Он включает два смесителя, усилитель и n-входовый сумматор. Кроме того, для обеспечения введения сигнала дополнительного контура в известный контур в устройство введен двухвходовой сумматор, один из входов которого является суммирующим, а второй - вычитающим.

Двухвходовый сумматор включен в разрыв цепи между выходом усилителя и входом ФНЧ известного устройства, так что суммирующий вход дополнительного двухвходового сумматора связан с выходом усилителя, а выход этого сумматора - с входом ФНЧ. Точка соединения выхода дополнительного двухвходового сумматора со входом ФНЧ связана также с одним из входов первого дополнительного смесителя, второй вход которого связан с выходом элемента АР. Выход этого смесителя связан с одним из входов дополнительного n-входового сумматора, остальные входы которого связаны с выходами соответствующих смесителей дополнительных контуров управления других каналов АР. Выход n-входового сумматора связан с одним из входов второго дополнительного смесителя, второй вход которого связан с выходом элемента АР. Выход второго дополнительного смесителя связан с входом дополнительного усилителя, выход которого связан с вычитающим входом двухвходового дополнительного сумматора.

Выход первого дополнительного смесителя связан также с одним из входов каждого n-входового сумматора остальных контуров управления АР.

Введение дополнительного контура управления приводит к существенному уменьшению разброса коэффициентов α_k , что обеспечивает снижение степени зависимости времени адаптации контура управления от помеховой обстановки и уменьшение времени адаптации.

Сущность изобретения поясняется чертежом, на котором приняты следующие обозначения: 1 - антенный элемент, 2 - смеситель, 3 - сумматор, 4 - усилитель, 5 - фильтр низких частот.

Выход антенного элемента 1 связан с первыми входами первого, второго, третьего и четвертого смесителей 2. Выход первого смесителя 2 связан с одним их входов n-входового первого сумматора 3. Остальные входы 1-го сумматора 3 связаны с выходами соответствующих смесителей остальных n-1 контуров управления адаптивной АР. 1-й сумматор 3 является общим для всех n контуров управления адаптивной АР. Выход 1-го сумматора 3 связан с вторым входом второго смесителя 2. Эта же точка является точкой выхода контура управления. Выход 2-го смесителя 2 связан с входом 1-го усилителя 4. Второй вход 1-го смесителя 2 связан с выходом 2-го сумматора 3, имеющего два входа - суммирующий и разностный. Суммирующий вход 2-го сумматора 2 связан с источником опорного сигнала W₀. Разностный вход 2-го сумматора 3 связан с выходом фильтра низких частот 5. Вход фильтра низких частот (ФНЧ) 5 связан с выходом 3-го сумматора 3 и с вторым входом 3-го смесителя 2. Один из входов 3-го сумматора 3 является суммирующим, а другой - разностным (вычитающим). Суммирующий вход 3-го сумматора 3 связан с выходом 1-го усилителя 4. Выход 3-го смесителя 2 связан с одним из входов n-входового 4-го сумматора 3. Остальные входы 3-го сумматора 4 связаны с выходами третьих смесителей остальных n-1 контуров управления адаптивной АР. Выход 4-го сумматора 3 связан с вторым входом 4-го смесителя 2. Выход 4-го смесителя 2 связан с входом 2-го усилителя 4, выход которого связан с разностным входом 3-го сумматора 3.

В другом варианте выполнения изобретения оба входа 2-го и 3-го 2-входовых сумматоров 3 являются суммирующими, а между выходом ФНЧ 5 и соответствующим входом 2-го сумматора 3, а также между выходом 2-го усилителя 4 и соответствующим входом 3-го сумматора 3 включены инверторы.

Контур управления работает следующим образом. Сигнал x_i, принимаемый элементом антенной решетки 1, поступает на вход 1-го смесителя 2. В смесителе происходит взвешивание входного сигнала пропорционально сигналу управления с выхода 2-го сумматора 3. Взвешенный сигнал с выхода 1-го смесителя 2 поступает на один из входов 1-го сумматора 3, на другие входы которого поступают взвешенные сигналы с остальных n-1 контуров управления АР. Все n взвешенных сигналов складываются в 1-м сумматоре 3, образуя на его выходе выходной сигнал решетки Y. Одновременно с этим сигналом x_i с выхода элемента АР-1 поступает на вход 2-го смесителя 2, на второй вход которого поступает сигнал Y с выхода АР. На выходе 2-го смесителя 2 образуется i-я составляющая (i - номер элемента АР и соответственно контура управления) градиента мощности сигнала на выходе антенны Z_i, которая в комплексном виде записывается в форме

где
k₁ - произведение коэффициентов передачи 1-го и 2-го смесителей;
* - знак комплексного сопряжения;
k - номер контура управления (канала) АР.

Затем сигнал Z_i усиливается 1-м усилителем 4 с коэффициентом усиления k₂ и поступает на суммирующий вход 3-го сумматора 3. На разностный вход 3-го сумматора 3 поступает корректирующий сигнал P_i с выхода 2-го усилителя 4. Таким образом, на выходе 3-го сумматора 3 формируется сигнал d_i, равный

Этот сигнал проходит через фильтр низких частот 5, образуя на его выходе выходной сигнал g_i. В остальных n-1 контурах управления АР формируются аналогичные сигналы d_k и g_k, где k - номер контура.

В соответствии с правилом преобразования сигнала в ФНЧ

Аналогично в остальных каналах

Сигнал g_i поступает на разностный вход 2-го сумматора 3, на суммарный вход которого поступает опорный сигнал W_oi, представляющий собой начальное значение весового коэффициента W_oi. На выходе 2-го сумматора 3 формируется результирующее значение весового коэффициента W_i.

Так как
g_i = W_oi - W_i, то с учетом предыдущих соотношений
и

На входы 3-го смесителя 2 поступает сигнал x_i с выхода элемента АР 1 и сигнал d_i. На выходе этого смесителя формируется сигнал k₃(x^*_id_i), где k₃ - коэффициент передачи 3-го смесителя. Этот сигнал совместно с аналогичными сигналами с других контуров управления поступает на 4-й сумматор 3, на выходе которого формируется сигнал , поступающий на 2-й вход 4-го смесителя 2. На 1-й вход этого смесителя поступает сигнал x_i с выхода элемента АР 1. Сигнал с выхода 4-го смесителя 2 усиливается 2-м усилителем 4. Сигнал на выходе усилителя 4 представляет собой корректирующий сигнал P_i

где k₄ и k₅ - коэффициенты передачи соответственно 4-го смесителя и усилителя.

Корректирующий сигнал P_i

несет информацию о помеховой обстановке, заключенную в сигнале x_i. Входящая в последнее выражение величина

где k₆ = k₅·k₄·k₃, изменяет постоянную времени процесса адаптации, в которой учитывается помеховая обстановка.

Весовые коэффициенты рассматриваемого i-го контура управления описываются следующим дифференциальным уравнением

или в матричном виде для всей адаптивной антенны с учетом интегрирующего действия ФНЧ
,
где
W - вектор весовых коэффициентов;
W_o - начальный вектор весовых коэффициентов.

Последнее уравнение можно переписать в виде
,
где
I - единичная матрица;
- корреляционная матрица принимаемых сигналов;
+ - знак эрмитова сопряжения;
черта сверху означает операцию усреднения во времени.

Из решения этого уравнения следует, что переходный процесс определяется показателем экспоненты

где
собственное значение корреляционной матрицы R.

Известно, что величина λ_k характеризует отношение мощности помехи и шума к мощности собственных шумов. Поэтому на практике всегда выполняется соотношение
λ_k≫ 1.
Выбором коэффициентов передачи k₁, k₂ и k₆ должно быть обеспечено выполнение неравенств
k₁·k₂>>1; k₆λ_k≫ 1,
где последнее неравенство должно выполняться для всех λ_k .

При этих условиях величина определяется выражением

значение которого много больше единицы и не зависит от параметров помех. Тогда установившееся значение вектора весовых коэффициентов определяется формулой
W = [(k₁k₂ + k₆)R]^-1W_o,
что соответствует оптимальному Винеровскому решению для установившихся весовых коэффициентов.

Другим вариантом реализации изобретения является случай, когда неравенство
k₆λ_k≫ 1
выполняется только для максимальных ожидаемых значений λ_k .

В этом случае при малых λ_k

работа предлагаемого контура не отличается от работы прототипа, что позволяет обеспечить высокое быстродействие при малом уровне помех или, в общем случае, при малых λ_k .

В данном варианте реализации значительно сужается диапазон значений λ_k , которые непосредственно влияют на разброс показателей экспонент .

Таким образом, как это следует из анализа величины введение дополнительного контура управления позволяет при соответствующем выборе коэффициентов усиления усилителей контура управления значительно уменьшить (а в принципе, и исключить) зависимость процесса адаптации антенной решетки от параметров помех.

Формула изобретения

Контур управления адаптивной антенны, содержащий первый и второй смесители, один из входов каждого из которых связан с выходом антенного элемента, первый сумматор, один из входов которого связан с выходом первого смесителя, а выход - с вторым входом второго смесителя, усилитель, вход которого связан с выходом второго смесителя, фильтр низких частот, второй сумматор, разностный вход которого связан с выходом фильтра низких частот, суммирующий вход - с выходом источника опорного сигнала, а выход - с вторым входом первого смесителя, отличающийся тем, что в него введены третий и четвертый смесители, один из входов каждого из которых связан с выходом антенного элемента, второй усилитель, вход которого связан с выходом четвертого смесителя, третий сумматор, суммирующий вход которого связан с выходом первого усилителя, разностный вход - с выходом второго усилителя, а выход - с входом фильтра низких частот и с вторым входом третьего смесителя, четвертый сумматор, один из входов которого связан с выходом третьего смесителя, а выход - с вторым входом четвертого смесителя, причем число входов четвертого сумматора равно числу элементов решетки и каждый из остальных входов этого сумматора связан с выходами третьих смесителей оостальных аналогичных контуров управления, а выход третьего смесителя связан также с одним из входов каждого из четвертого сумматоров остальных контуров управления.

РИСУНКИ

Рисунок 1