Способ формирования провала в диаграмме направленности частично адаптивной антенной решетки

 

Использование: в радиотехнике, в частности в частично адаптивных антенных решетках. Сущность изобретения: автоматически определяют направление прихода сигнала от источника помехи, формируют дополнительную диаграмму направленности (ДН) синусоидального типа и осуществляют сложение с исходной ДН посредством последовательного линейного изменения фазового распределения в симметрично расположенных относительно центра и равномерно распределенных по длине решетки элементах. 5 ил.

Изобретение относится к радиотехнике, в частности, к антенной технике, и может быть использовано в адаптивных ФАР. В настоящее время ФАР широко распространены, а в таких областей, как радиолокация, радиосвязь, радиоастрономия, играют решающую роль.

Известны различные способы автоматического определения направления прихода помехи, отличного от направления сигнала, и последующего формирования в этом направлении нуля результирующей диаграммы направленности (ДН) в направлении на источник помехи. Необходимые свойства адаптивной антенной решетки (ААР) достигаются соответствующим выбором весовых коэффициентов (ВК), включенных между антенными элементами и общим сумматором. На практике применяют решение, основывающееся на непосредственном нахождении оценки вектора ВК W(t). Для идеального алгоритма определение вектора ВК решетки из 16 излучателей необходимо 100 итераций.

Одним из алгоритмов является случайный поиск: линейный случайный поиск, ускоренный случайный поиск, направленный ускоренный случайный поиск. В дополнении к этому предлагается использовать направленный случайный поиск.

Алгоритм линейного случайного поиска определяется выражением.

W_k+1=W_k+μ_s{[W_k]-[W_k+ΔW_k]}ΔW_k, (1) где β [˙] - выбранный критерий эффективности, μ_s - шаговая постоянная.

Направленный случайный поиск при предлагаемом методе определяется не величиной изменения критерия эффективности, а только его знаком, т.е.

W_k+1=W_k+sign{[W_k]-[W_k+ΔW]}ΔW (2) Для придания адаптивных свойств АР в любом направлении, за исключением направления прихода полезного сигнала, с сохранением характеристик направленности целесообразно применять частично адаптивные АР.

Наиболее близким по своей технической сущности способом является фазовое сопряжение. При данном способе формирования нуля результирующей ДН в направлении на источник помехи максимум дополнительной диаграммы при приеме автоматически ориентируется в направлении на источник помехи и в последующем вычитается из исходной диаграммы. Дополнительную диаграмму можно аппроксимировать функцией типа sinx. Известен также подобный способ с созданием двух дополнительных диаграмм, симметрично расположенных относительно главного лепестка, что позволяет уменьшить влияние дополнительной диаграммы на направление прихода сигнала.

Основным недостатком данного способа является то, что для формирования подобной дополнительной диаграммы необходимо комплексное изменение амплитудно-фазового распределения всех элементов АР, что вызывает трудности в конструировании при реализации быстрого изменения амплитуды сигнала в каждом элементе решетки. Кроме того, количество итераций для достижения оптимального вектора ВК достигает нескольких тысяч, что может неблагоприятно сказаться на процессе адаптации нестационарных АР.

Целью изобретения является повышение быстродействия процесса адаптации.

На фиг.1 изображены графики, иллюстрирующие способ формирования ДН адаптивной ФАР с использованием дополнительной диаграммы, где 1 - исходная ДН (до адаптации); 2 - дополнительная ДН; формируемая при приеме; 3 - результирующая ДН (после адаптации); на фиг.2 - фазовое распределение в элементах равносигнальной ФАР, где 1 - элемент АР; 2 - фаза; 3 - разность фаз между элементами исходной решетки Ψ ; 4 - разность фаз между элементами адаптивной части в исходном состоянии Ψ_a^*; 5 - разность фаз между элементами адаптивной части в процессе настройки нуля на помеху Ψ_a ; на фиг.3 изображены кривые зависимости положения участков с заданной степенью подавления (нуля) от разности фаз между адаптивными элементами, т.е. карты нулей 16 - элементной АР с соотношением d/λ = 0,5 с направлением главного лепестка Θ_гл = 90^о при задействовании двух адаптивных элементов, расположенных в центре (см. фиг.3,а) и по краям (см. фиг.3,б), а также при задействовании четырех адаптивных элементов, удовлетворяющих требованиям d_a = 3d (см. фиг.3,в) и d_a = 5d (см. фиг.3,г); на фиг.4 изображен общий характер зависимостей от разности фаз между адаптивными элементами таких характеристик 16-элементной АР с соотношением d/_x = 0,5 и направлением главного лепестка Θ_гл = 90^о, как ширина ДН по половинной мощности (см. фиг.4,а), КНЛ (см. фиг.4,б), нормированные значения среднего уровня (см. фиг.4,в) и максимума (см. фиг.4,г) боковых лепестков. Сплошной линией изображены характеристики для решетки с использованием двух адаптивных элементов, пунктирной - для четырех и штрихпунктирной - для шести. Цифрами обозначены различные варианты величины К (d_a = kd); на фиг.5 изображена зависимость положения запрещенных участков на угловой оси Θ от направления главного лепестка Θ_гл . Заштрихованные участки пред- ставляют собой области значений, в которых при заданном положении Θ_гл^* невозможно получение нуля на помеху (Θ_з) для 16-элементной решетки с соотношением d/λ = 0,5 при использовании четырех адаптивных элементов К = 5 и ΔΨ_a = 50^о.

Предлагаемый способ заключается в следующем.

В исходном состоянии фазовое распределение в элементах ФАР обеспечивает отслеживание главным лепестком направления прихода сигнала. Критерий эффективности соответствует условиям устойчивого приема сигнала. Дополнительная диаграмма отсутствует.

При воздействии мощной помехи выбранный критерий эффективности отличается от оптимального, определяемого отсутствием помех. При изменении разности фаз между адаптивными элементами (ΔΨ_a) относительный уровень ДН в направлении помехи либо уменьшается, либо, подстраивает под помеху нуль, либо увеличивается, приближая к направлению помехи уровень максимума бокового лепестка. При этом относительно исходной диаграммы направленности 1 (см. фиг.1) формируется дополнительная диаграмма синусоидального типа с центральной симметрией относительно направления прихода сигнала с уровнем в направлении помехи, соответствующим исходной диаграмме, но с противоположным знаком 2 (см. фиг.1), и в последующем складывается с исходной, образуя в направлении помехи результирующий нуль 3 (см. фиг.1). Для нейтрализации помехи необходимо выбрать направление изменения ΔΨ_a и затем с определенным шагом дискретизации двигаться до тех пор, пока критерий эффективности не станет экстремальным, что будет свидетельствовать о настройке нуля ДН на помеху.

Для оценки потенциальных возможностей рассматриваемого способа формирования провала берется некоторая идеализированная линейная эквидистантная АР изотропных элементов 1 (см. фиг.2) с равносигнальным распределением амплитуды и линейным изменением фазы 2 (см. фиг.2).

Исходная ДН ФАР имеет вид (Θ,ϕ)= ; (3) U = (2Π d/λ cosΘ-Ψ), (4) где U - обобщенная угловая переменная; N - количество элементов; d - расстояние между элементами; λ - длина волны; Ψ - разность фаз между соседними элементами 3 (см. фиг.2); Θ,ϕ - азимут, отсчитываемый от оси решетки, и угол места на объект.

Поскольку адаптивные элементы расположены симметрично, то фазовые центры исходной решетки и адаптивной ее части будут совмещены и следовательно дополнительная диаграмма адаптивной части будет иметь вид
(Θ,ϕ)= - , (5)
U_a= 2Π cosΘ-, (6)
U^*_a= 2Π cosΘ- (7) где N_a - количество адаптивных элементов; d_a - расстояние между адаптивными элементами; Ψ_a - разность фаз между соседними адаптивными элементами 4 (см. фиг.2); Ψ_a^* - разность фаз между соседними элементами в адаптивной части в исходном состоянии 5 (см. фиг.2).

Величины d_a и Ψ_a^* , исходя из геометрии решетки, определяются по формулам
(8)
Таким образом, результирующая ДН будет иметь вид
(Θ,ϕ)=(Θ,ϕ)+(Θ,ϕ) (9)
Исследование выражения (9) проводилось для решетки с соотношением d/λ = 0,5. Дополнительную диаграмму можно охарактеризовать функцией sinx. Количество пересечений с осью в диапазоне от 0 до 180^о составляет (N-1) ˙ К раз, а амплитуда возрастает с увеличением отклонения фазы в адаптивных элементах от исходного. Для анализа адаптивных свойств определялись характеристики участков с заданной степенью подавления. Зависимость положения участка с заданной степенью подавления от разности фаз между адаптивными элементами назовем картой нулей.

При режиме нормального излучения (Θ_гл = 90^о, Ψ= 0) достаточно проанализировать положительные значения Ψ_a и диапазон углов Θ от 0 до 90^о и далее использовать свойство
(90°± Θ,Ψ_a)0 =(90°∓ Θ, -Ψ_a) (10)
Карта нулей при нормальном излучении 16-элементной решетки для вариантов из двух (К = 1 и К = 15) и четырех (К = 3 и К = 5) адаптивных элементов представлена на фиг.3. Из графиков видно, что для некоторых вариантов расположения адаптивных элементов при предлагаемом способе изменения Ψ_a существуют направления, для которых невозможно получение нуля ДН. Характер изменения основных характеристик представлен на фиг.4: зависимость ширины ДН по половинной мощности (см. фиг.4,а), КНД (см. фиг.4,б), нормированных значений среднего уровня (см. фиг.4,в) и максимума (см. фиг.4,г) боковых лепестков от разности фаз между адаптивными элементами.

Проведенные расчеты позволяют сделать вывод о том, что для получения приемлемых характеристик ФАР в направлении сигнала целесообразно использовать до 25% адаптивных элементов от их общего числа. При расположении адаптивных элементов в центре решетки (К = 1) возникают запрещенные направления для получения нуля вблизи главного лепестка. При дальнейшем разнесении адаптивных элементов эти участки сдвигаются и при равномерном распределении элементов по длине исходной решетки можно добиться с помощью фазового распределения в них нуля диаграммы в произвольном направлении, кроме заданного приходом сигнала. Использование только подстройки фазы в векторе ВК дает возможность настройки нуля ДН на помеху, но приводит к росту боковых лепестков, тем самым уменьшая КНД антенны, оставляя неизменным направление прихода сигнала.

При изменении положении главного лепестка разность фаз между элементами будет изменяться в соответствии с выражением
Ψ=2πd/λcosΘ (11)
Анализ (Θ,ϕ) проводился аналогично случаю нормального излучения, за исключением увеличения пределов изменения угла наблюдения Θ до 180^ои изменения разности фаз между адаптивными элементами Ψ_a вблизи Ψ_a^*(ΔΨ_a=Ψ_a-Ψ_a^*) . Для всех вариантов расположения адаптивных элементов при отклонении главного лепестка от нормали к оси решетки расположение запрещенных участков относительно главного лепестка остается прежним, но несколько возрастает их величина (см. фиг.5).

Вариант N_a = 4 и К = 5 соответствует равномерному распределению адаптивных элементов по длине решетки. В этом случае при изменении разности фаз в адаптивных элементах от исходного распределения (без адаптации) ΔΨ_a = 50^о можно получить нуль ДН в любом направлении, кроме запрещенных участков величиной 7^о, середины которых удалены от Θ_гл на 12^о, а при увеличении до 155^о нуль будет в любом заданном направлении, кроме главного лепестка. При этом направление прихода сигнала остается неизменным, максимальные изменения для нормального излучения ширины ДН составляют соответственно 6,7^о и 9,1^о (исходная ширина 6,3^о), КНД - 13,8 и 7,8 (16) нормированных значений среднего уровня боковых лепестков - 0,104 и 0,226 (0,062) и максимума - 0,28 и 0,58 (0,22).

Технические преимущества предложенного способа по сравнению с известными заключаются в том, что для создания нуля ДН в направлении помехи используется только фазовое распределение в частично адаптивной АР, что приводит к значительному сокращению времени получения вектора ВК, удовлетворяющего условиям устойчивого приема сигнала.

Экономический эффект, достигаемый при осуществлении данного способа, состоит в существенном ускорении процесса адаптации. Максимальное количество итераций для получения минимальной степени подавления помехи - 40 дБ на два порядка ниже, чем при использовании оптимальных алгоритмов адаптации АР и в 6 раз меньше, чем для идеального алгоритма.

Достоверность достижения цели подтверждается на примере использования в качестве критерия эффективности в алгоритме направленного случайного поиска отношения сигнал-шум-помеха на выходе антенны. При использовании в ФАР дискретных фазовращателей с минимальным шагом Δ=π/16 максимальное количество итераций при случайном воздействии мощной помехи не превышает 16.

Способ можно использовать в адаптивных ФАР с нестационарными условиями эксплуатации.

Формула изобретения

СПОСОБ ФОРМИРОВАНИЯ ПРОВАЛА В ДИАГРАММЕ НАПРАВЛЕННОСТИ ЧАСТИЧНО АДАПТИВНОЙ АНТЕННОЙ РЕШЕТКИ, заключающийся в автоматическом определении направления прихода сигнала от источника помехи, формировании дополнительной диаграммы направленности, отличающийся тем, что, с целью повышения быстродействия процесса адаптации, дополнительную диаграмму направленности формируют синусоидального типа с центральной симметрией относительно направления прихода сигнала и с уровнем в направлении помехи, соответствующим исходной диаграмме, но с противоположным знаком, осуществляют сложение исходной и дополнительной диаграмм направленности посредством последовательного линейного изменения фазового распределения в симметрично расположенных относительно центра и равномерно распределенных по длине решетки элементах.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5