Самофазирующаяся антенная решетка

Изобретение относится к области антенн и предназначено для использования в системах телевидения, связи и радиолокации. Техническим результатом является повышение качества приема за счет улучшения отношения сигнал/шум. Самофазирующаяся антенная решетка, образующая n-канальное устройство, содержит в каждом канале излучатель антенной решетки, смеситель, устройство фазовой автоподстройки частоты, опорный генератор и сумматор, при этом в каждый канал устройства дополнительно введены делитель мощности, согласованный фильтр, первый детектор и разностное устройство. 1 ил.

 

Заявляемая самофазирующаяся антенная решетка (СФАР) относится к области антенн и предназначена для использования в системах телевидения, связи и радиолокации.

Известна гетеродинная система фазовой автоподстройки (см. Сканирующие антенные системы СВЧ, том III. Перевод с англ. под ред. Г.Т.Маркова и А.Ф.Чаплина. М., Сов. радио, 1971 г., стр.404), содержащая в каждом канале антенну, подключенную к последовательно соединенным смесителю, усилителю промежуточной частоты и фазовому детектору, выход которого через управляемый генератор соединен со вторым входом смесителя. Выходы смесителей каждого канала соединены с соответствующими входами сумматора, а вторые входы фазовых детекторов соединены с соответствующими выходами опорного генератора промежуточной частоты.

Недостатком этой системы является неоптимальная обработка принимаемой антенной решеткой смеси сигнала и шума и низкое результирующее отношение сигнал/шум.

Наиболее близкой по технической сущности к заявляемой является самофазирующаяся антенная решетка с применением устройства фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ) (см. патент США №3036011, 1962 г.). Антенная решетка содержит в каждом канале излучатель антенной решетки, соединенный через смеситель с устройством фазовой автоподстройки частоты, выход которого соединен со вторым входом смесителя, второй вход соединен с соответствующим выходом сумматора (объединяющим функции опорного генератора и суммирующего устройства), а первый вход устройства ФАПЧ также соединен с соответствующим входом сумматора.

Недостатком этой антенной решетки является сложение сигналов без учета фазовых погрешностей на выходе устройства ФАПЧ, т.е. осуществляется неоптимальная обработка принимаемой решеткой смеси сигнала и шума, что приводит к низкому результирующему отношению сигнал/шум.

Целью заявляемого устройства является повышение качества приема за счет улучшения отношения сигнал/шум.

Поставленная цель достигается тем, что в каждый канал устройства дополнительно введены последовательно соединенные делитель мощности, согласованный фильтр, первый детектор и разностное устройство, вход делителя мощности соединен с выходом смесителя, второй выход делителя мощности соединен со вторым входом устройства фазовой автоподстройки частоты, а третий выход соединен через второй детектор со вторым входом разностного устройства, выход которого соединен с соответствующим входом сумматора.

На чертеже приведена структурная схема заявляемого устройства.

Самофазирующаяся антенная решетка содержит излучатели 1 антенной решетки, смесители 2, устройства фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ) 3, делители мощности 4, согласованные фильтры 5, детекторы 6 и 7, разностные устройства 8, сумматор 9 и опорный генератор 10.

Излучатель 1 антенной решетки каждого из n каналов через смеситель 2 соединен с делителем мощности 4, первый выход которого подключен к последовательно соединенным согласованному фильтру 5, детектору 6, разностному устройству 8 и сумматору 9.

Второй выход делителя мощности 4 соединен с входом устройства ФАПЧ 3, второй вход которого соединен с соответствующим выходом опорного генератора 10, а выход соединен со вторым входом смесителя 2. Третий выход делителя мощности 4 через детектор 7 соединен со вторым входом разностного устройства 8.

Самофазирующаяся антенная решетка работает следующим образом.

На выходе каждого излучателя СФАР имеем аддитивную смесь сигнала и шума

(1)

где А_i - амплитуда сигнала i-го канала;

ω_c - частота сигнала;

n_i(t) - шумовая составляющая смеси.

На выходе смесителя аддитивная смесь с учетом сигнала опорного генератора запишется в виде:

(2)

где A_CMi - амплитуда сигнала на выходе смесителя i-го канала;

ω_о - частота опорного генератора;

ϕ_о - фазовая погрешность i-го канала;

n_CMi(t) - шум на выходе смесителя i-го канала.

Для определения алгоритма оптимального суммирования сигналов со случайной фазой, как известно, необходимо получить выражение отношения правдоподобия смеси сигнала и шума на выходе сумматора с учетом закона распределения случайной величины - фазовой погрешности.

Отношение правдоподобия описывается выражением:

где W(ϕ₁,ϕ₂,...ϕ_n,) - многомерный закон распределения случайной фазы сигнала в каналах СФАР.

Можно показать (см. В.В.Пестряков. Фазовые радиотехнические системы. М., Сов. Радио, 1968 г.), что закон изменения фазы сигнала на выходе устройства ФАПЧ определяется выражением:

где D=kN²,

k - коэффициент пропорциональности, определяемый устройством

ФАПЧ;

N² - отношение сигнал/шум на входе устройства ФАПЧ по мощности;

I_o(D) - вырожденная функция Бесселя.

Полагая случайные фазы в каналах независимыми, а закон изменения шумов Гауссовым, в результате преобразований получим выражение отношения правдоподобия в виде:

где - напряжение на выходе оптимального приемника;

ε_c - энергия принимаемого СФАР сигнала;

N_о - спектральная плотность шума;

}- квадратурные составляющие копии сигнала

Используемые в устройстве детекторы должны обладать характеристикой вида: U_вых=lnI_o(D). Известно, что многие реальные детекторы обладают такой характеристикой (см., например, В.В.Пестряков. Фазовые радиотехнические системы. М., Сов. радио, 1968 г., стр.274).

Таким образом, полученное выражение отношения правдоподобия определяет структуру оптимального суммирования смеси сигналов со случайной фазой и шума, которая предусматривает дополнительное формирование в каждом канале перед суммированием разностного сигнала между продетектированным входным сигналом устройства ФАПЧ, снимаемым с одного из выходов делителя мощности, и продетектированным сигналом с выхода оптимального фильтра.

Самофазирующаяся антенная решетка, образующая n-канальное устройство, содержащее в каждом канале излучатель антенной решетки, подключенный к одному из входов смесителя, второй вход которого соединен с выходом устройства фазовой автоподстройки частоты, вход которого соединен с соответствующим выходом опорного генератора, а также сумматор, отличающаяся тем, что в каждый канал устройства дополнительно введены последовательно соединенные делитель мощности, согласованный фильтр, первый детектор и разностное устройство, вход делителя мощности соединен с выходом смесителя, второй выход делителя мощности соединен со вторым входом устройства фазовой автоподстройки частоты, а третий выход соединен через второй детектор со вторым входом разностного устройства, выход которого соединен с соответствующим входом сумматора.