МНОГОФУНКЦИОНАЛЬНАЯ АДАПТИВНАЯ АНТЕННАЯ РЕШЕТКА
MULTIFUNCTIONAL ADAPTIVE ANTENNA ARRAY

Изобретение относится к антенной технике и может быть использовано в радиотехнических системах связи, радиолокации и радионавигации при приеме сигналов в условиях воздействия помех.
Известна адаптивная антенная решетка [1, с. 56, 2], содержащая N антенных элементов. В канал каждого антенного элемента введено устройство с квадратурными каналами, с помощью которого сигнал разделяется на синфазную и квадратурную составляющие, а каждая из составляющих подвергается операции умножения на весовой коэффициент. Получаемые после такой обработки сигналы складываются в сумматоре. Управление величинами весовых коэффициентов осуществляется с помощью сигнального процессора.
Однако для данной адаптивной антенной решетки форма диаграммы направленности будет постоянной, а сама антенна сможет выполнять только одну функцию.
Известна адаптивная антенная решетка [3], содержащая антенные элементы, гибридные устройства, обеспечивающие разделение сигналов на синфазные и квадратурные составляющие, весовые умножители, общий сумматор, адаптивные контуры, полосовой и заградительный фильтры, блоки измерения мощности, блок сравнения и блок управления. С помощью фильтров, блоков измерения мощности, блока сравнения и блока управления обеспечивается минимизация и максимизация выходной мощности общего сумматора в режимах подавления помехи и выделения полезного сигнала.
Недостатком данной адаптивной антенной решетки является усложнение схемы адаптивной антенной решетки и необходимость раздельного выполнения режимов минимизации помехи и максимизации мощности полезного сигнала.
Известна адаптивная антенная решетка [4], содержащая N антенных элементов, соединенных через комплексные весовые умножители с входами общего сумматора, N адаптивных контуров, первые входы которых соединены с выходами соответствующих антенных элементов, а вторые входы - с выходами общего сумматора. Первые выходы адаптивных контуров подключены к соответствующим входам комплексных весовых умножителей. Первые и вторые входы блока максимизации выходной мощности соединены соответственно с первыми и вторыми выходами адаптивных контуров, а выходы - с соответствующими входами адаптивных контуров. Адаптивная антенная решетка обладает большей помехозащищенностью по отношению к помеховым сигналам независимо от их полосы частот.
Однако подобную адаптивную антенную решетку целесообразно использовать при приеме сигналов, имеющих паузу в ходе их передачи, например сигналов с псевдослучайной перестройкой частоты. Кроме того, введение блока максимизации выходной мощности и изменение связей, обусловленных этим введением, существенно усложняет адаптивную антенную решетку.
Наиболее близким аналогом (прототипом) является адаптивная антенная решетка [1, с. 13, рис. 1.1], в состав которой входят N антенных элементов, диаграммообразующая схема, состоящая из N блоков комплексного взвешивания сигналов и сумматора, и адаптивный процессор. Комплексное взвешивание производится с помощью устройств с квадратурными каналами. Один из выходов каждого антенного элемента соединен с входом соответствующего блока комплексного взвешивания сигналов, выходы блоков комплексного взвешивания сигналов подключены к входам сумматора, выход которого является выходом адаптивной антенной решетки. Вторые выходы излучателей соединены с входами адаптивного процессора, вход управления которого подключен к выходу адаптивной антенной решетки. Сигнальные выходы адаптивного процессора соединены с управляющими входами блоков комплексного взвешивания сигналов.
Однако в случае, когда требуется изменить форму диаграммы направленности антенной решетки, а также форму главного максимума диаграммы направленности, для выполнения антенной других функций данную операцию произвести невозможно.
Предлагаемая многофункциональная адаптивная антенная решетка направлена на достижение технического результата, заключающегося в  универсальности антенной решетки за счет возможности антенной решетки изменять форму главного максимума диаграммы направленности при обработке узкополосных сигналов по отношению к помеховым сигналам независимо от их мощности при любой сигнально-помеховой обстановке.
Для достижения указанного технического результата в адаптивную антенную решетку, являющуюся наиболее близким аналогом (прототипом), содержащую N антенных элементов, N блоков комплексного взвешивания сигналов, адаптивный процессор и общий сумматор, дополнительно введен блок формирования управляющего вектора, отвечающий за фазирование антенной решетки в направление прихода полезного сигнала и форму главного максимума диаграммы направленности, выход блока формирования управляющего вектора подключен к управляющему входу блока формирования вектора весовых коэффициентов, причем выходы N антенных элементов подключены ко входам N блоков комплексного взвешивания сигналов и ко входам блока формирования ковариационной матрицы помеховых сигналов, являющимся соответствующими входами адаптивного процессора, выходы блока формирования ковариационной матрицы помеховых сигналов подключены к соответствующим входам блока обращения ковариационной матрицы помеховых сигналов, выходы которого подключены ко входами блока формирования вектора весовых коэффициентов, выходы блока формирования вектора весовых коэффициентов, являющиеся выходами адаптивного процессора, подключены к управляющим входам N блоков комплексного взвешивания, выходы которых подключены к общему сумматору.
Проведенный сравнительный анализ заявленного устройства и прототипа показывает, что заявленное устройство отличается тем, что:
в адаптивный процессор введен блок формирования управляющего вектора, отвечающий за фазирование антенной решетки в направление прихода полезного сигнала и форму главного максимума диаграммы направленности;
изменены связи между блоками: выходы N антенных элементов подключены ко входам N блоков комплексного взвешивания сигналов и ко входам блока формирования ковариационной матрицы помеховых сигналов, являющимся соответствующими входами адаптивного процессора, выходы блока формирования ковариационной матрицы помеховых сигналов подключены к соответствующим входам блока обращения ковариационной матрицы помеховых сигналов, выходы которого подключены ко входам блока формирования вектора весовых коэффициентов, на управляющий вход которого поступает сигнал от блока формирования управляющего вектора, выходы блока формирования вектора весовых коэффициентов, являющиеся выходами адаптивного процессора, подключены к управляющим входам N блоков комплексного взвешивания, выходы которых подключены к общему сумматору.
На фигуре 1 приведена структурная схема многофункциональной адаптивной антенной решетки.
На фигуре 2 представлен вариант выполнения адаптивного процессора, в который включен блок формирования управляющего вектора, отвечающего за фазирование антенной решетки в направление прихода полезного сигнала и форму главного максимума диаграммы направленности.
1
1
На фигуре 3 приведена столообразная диаграмма направленности антенной решетки в случае прихода помехи с направления θ=-24°, φ=0°.
1
1
На фигуре 4 приведена игольчатая диаграмма направленности антенной решетки в случае прихода помехи с направления θ=-24°, φ=0°.
1
1
На фигуре 5 приведена косекансная диаграмма направленности антенной решетки в случае прихода помехи с направления θ=-43°, φ=0°.
В состав многофункциональной адаптивной антенной решетки (фигура 1) входят антенные элементы 1, образующие N-элементную антенную решетку, адаптивный процессор 2, выходы которого подключены ко входам N блоков комплексного взвешивания сигналов 3, общий сумматор 4, к которому подключены выходы блоков комплексного взвешивания сигналов.
Адаптивный процессор 2 включает в свой состав блок 8 формирования вектора весовых коэффициентов, ко входу которого через блок 7 обращения ковариационной матрицы подключен блок 6 формирования ковариационной матрицы помеховых сигналов. Входы блока 6 формирования ковариационной матрицы помеховых сигналов, являющиеся входами адаптивного процессора, подключены к соответствующим N антенным элементам 1. Также к блоку 8 формирования вектора весовых коэффициентов подключен блок 5 формирования управляющего вектора, отвечающий за фазирование антенной решетки в направление прихода полезного сигнала и форму главного максимума диаграммы направленности.
Выходы блока 8 являются выходами адаптивного процессора и подключены к управляющим входам блоков 3 комплексного взвешивания сигналов для соответствующей частотной составляющей полезного сигнала.
Прежде чем рассмотреть функционирование предлагаемой многофункциональной адаптивной антенной решетки, проведем теоретическое обоснование приема узкополосного полезного сигнала, реализованного в предлагаемом устройстве, при воздействии различных помеховых сигналов, а также способа оперативного изменения формы диаграммы направленности адаптивной антенной решетки.
0
0
l
l
Рассмотрим N-элементную антенную решетку с известной геометрией излучающего раскрыва, осуществляющую прием полезного сигнала с направления θ, φ и подавление помех, приходящих с неизвестных направлений θ,φ,(l=1,…,L). Требуется определить и реализовать набор весовых коэффициентов в каналах адаптивной антенной решетки, обеспечивающих максимум отношения сигнал/(помеха + шум) на выходе адаптивной антенной решетки.
Запишем критерий максимума отношения сигнал/(помеха + шум):
<mrow><mi>Q</mi><mo>=</mo><munder><mrow><mi>max</mi></mrow><mi>W</mi></munder><mrow><mo>{</mo><mrow><mfrac><mrow><msup><mi>W</mi><mi>T</mi></msup><mo>*</mo><msub><mi>R</mi><mrow><mi>s</mi><mi>s</mi></mrow></msub><mi>W</mi></mrow><mrow><msup><mi>W</mi><mi>T</mi></msup><mo>*</mo><msub><mi>R</mi><mrow><mi>n</mi><mi>n</mi></mrow></msub><mi>W</mi></mrow></mfrac></mrow><mo>}</mo></mrow></mrow>
, (1)
ss
где R - ковариационная матрица полезного сигнала;
nn
R - ковариационная матрица сигналов помех;
W - вектор весовых коэффициентов;
T, ∗ - символы операций транспонирования и комплексного сопряжения соответственно.
Оптимальную зависимость весовых коэффициентов представим в виде [1]:
<mrow><msub><mi>W</mi><mrow><mi>o</mi><mi>p</mi><mi>t</mi></mrow></msub><mo>=</mo><msubsup><mi>R</mi><mrow><mi>n</mi><mi>n</mi></mrow><mrow><mo>−</mo><mn>1</mn></mrow></msubsup><msubsup><mi>S</mi><mn>0</mn><mo>∗</mo></msubsup></mrow>
, (2)
<mrow><msubsup><mi>R</mi><mrow><mi>n</mi><mi>n</mi></mrow><mrow><mo>−</mo><mn>1</mn></mrow></msubsup></mrow>
где
- обратная ковариационная матрица помеховых сигналов;
0
n
n
0
0
n
0
0
0
0
S=Aexp(-ik(x sinθ cosφ+y sinθ sinφ)) - управляющий вектор, обеспечивающий построение заданной диаграммы направленности (в заданном направлении θ, φ с заданной формой главного максимума);
n
A - вектор амплитудно-фазового распределения токов в излучателях антенной решетки;
k - волновое число;
0
0
θ, φ - углы направления прихода полезного сигнала;
n
n
x, y - координаты n-го элемента антенной решетки.
Ковариационная матрица помеховых сигналов при произвольном числе помеховых сигналов определяется соотношением вида:
<mrow><msub><mi>R</mi><mrow><mi>n</mi><mi>n</mi></mrow></msub><mo>=</mo><msup><mi>σ</mi><mn>2</mn></msup><mi>E</mi><mo>+</mo><munderover><mi>Σ</mi><mrow><mi>l</mi><mo>=</mo><mn>1</mn></mrow><mi>L</mi></munderover><msup><mi>ν</mi><mn>2</mn></msup><msubsup><mi>U</mi><mi>l</mi><mo>*</mo></msubsup><msubsup><mi>U</mi><mi>l</mi><mi>T</mi></msubsup></mrow>
, (3)
2
где σ - мощность тепловых шумов антенной решетки;
Е - единичная матрица размерностью N×N;
ν - мощность помехового сигнала;
l
n
l
l
n
l
l
U=exp(-ik(x sinθ cosφ+y sin θ sin φ)) - вектор-столбец, элементами которого являются комплексные сомножители, учитывающие фазовый набег на каждом элементе антенной решетки при приеме l-го (l=1,…,L) помехового сигнала.
Тогда обратная ковариационная матрица с использованием выражения (2) записывается так:
<mrow><msubsup><mi>R</mi><mrow><mi>n</mi><mi>n</mi></mrow><mrow><mo>−</mo><mn>1</mn></mrow></msubsup><mo>=</mo><mfrac><mn>1</mn><mrow><msup><mi>σ</mi><mn>2</mn></msup></mrow></mfrac><mrow><mo>(</mo><mrow><mi>E</mi><mo>−</mo><munderover><mi>Σ</mi><mrow><mi>l</mi><mo>=</mo><mn>1</mn></mrow><mi>L</mi></munderover><munderover><mi>Σ</mi><mrow><mi>p</mi><mo>=</mo><mn>1</mn></mrow><mi>L</mi></munderover><msub><mi>α</mi><mrow><mi>l</mi><mi>p</mi></mrow></msub><msubsup><mi>U</mi><mi>l</mi><mo>*</mo></msubsup><msubsup><mi>U</mi><mi>p</mi><mi>T</mi></msubsup></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow>
, (4)
p
n
р
р
n
р
р
где U=ехр{-ik{x sinθ cosφ+y sinθ sinφ)) - вектор-столбец, элементами которого являются комплексные сомножители, учитывающие фазовый набег на каждом элементе антенной решетки при приеме р-го (р=1,…,L) помехового сигнала.
lp
В соотношении (4) известны все члены за исключением коэффициентов α, которые можно найти из выражения (3) и (4), учитывая условие:
<mrow><msubsup><mi>R</mi><mrow><mi>n</mi><mi>n</mi></mrow><mrow><mo>−</mo><mn>1</mn></mrow></msubsup><msub><mi>R</mi><mrow><mi>n</mi><mi>n</mi></mrow></msub><mo>=</mo><mi>E</mi></mrow>
.
11
В частном случае одной помехи коэффициент α определяется в виде:
<mrow><msub><mi>α</mi><mrow><mn>11</mn></mrow></msub><mo>=</mo><mfrac><mrow><msup><mi>ν</mi><mn>2</mn></msup></mrow><mrow><msup><mi>σ</mi><mn>2</mn></msup><mo>+</mo><mi>N</mi><msup><mi>ν</mi><mn>2</mn></msup></mrow></mfrac></mrow>
, (5)
а обратная ковариационная матрица помеховых сигналов после подстановки (5) в (4) определяется формулой:
<mrow><msubsup><mi>R</mi><mrow><mi>n</mi><mi>n</mi></mrow><mrow><mo>−</mo><mn>1</mn></mrow></msubsup><mo>=</mo><mfrac><mn>1</mn><mrow><msup><mi>σ</mi><mn>2</mn></msup></mrow></mfrac><mrow><mo>(</mo><mrow><mi>E</mi><mo>−</mo><mfrac><mrow><msup><mi>ν</mi><mn>2</mn></msup></mrow><mrow><msup><mi>σ</mi><mn>2</mn></msup><mo>+</mo><mi>N</mi><msup><mi>ν</mi><mn>2</mn></msup></mrow></mfrac><msubsup><mi>U</mi><mi>l</mi><mo>*</mo></msubsup><msubsup><mi>U</mi><mi>l</mi><mi>T</mi></msubsup></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow>
. (6)
Выражение для вектора весовых коэффициентов в этом случае имеет вид:
<mrow><mi>W</mi><mo>=</mo><mfrac><mn>1</mn><mrow><msup><mi>σ</mi><mn>2</mn></msup></mrow></mfrac><mrow><mo>(</mo><mrow><mi>E</mi><mo>−</mo><mfrac><mrow><msup><mi>ν</mi><mn>2</mn></msup></mrow><mrow><msup><mi>σ</mi><mn>2</mn></msup><mo>+</mo><mi>N</mi><msup><mi>ν</mi><mn>2</mn></msup></mrow></mfrac><msubsup><mi>U</mi><mi>l</mi><mo>*</mo></msubsup><msubsup><mi>U</mi><mi>l</mi><mi>T</mi></msubsup></mrow><mo>)</mo></mrow><msubsup><mi>S</mi><mn>0</mn><mo>*</mo></msubsup></mrow>
. (7)
0
1
После проведения математических преобразований выражения (7) с учетом соотношений для S и U, получим аналитическую зависимость вектора весовых коэффициентов. Полученный вектор весовых коэффициентов позволяет сфазировать антенную решетку в направление прихода полезного сигнала, сформировать требуемую форму главного максимума диаграммы направленности, а также «нули» диаграммы направленности в направлении помеховых сигналов.
Предлагаемая многофункциональная адаптивная антенная решетка функционирует следующим образом.
Аддитивная смесь полезного сигнала, шума и помехового сигнала принимается N антенными элементами 1. Часть смеси полезного сигнала, шума и помехового сигнала поступает на входы блоков 3 комплексного взвешивания сигналов. Аналогично вторая часть смеси полезного сигнала, шума и помехового сигнала подается на соответствующие входы адаптивного процессора 2, а именно на входы блока 6 формирования ковариационной матрицы помеховых сигналов.
Рассмотрим подробнее функционирование адаптивного процессора 2. Смесь полезного и помехового сигналов подаются на входы блоков 6, в которых в соответствии с приведенными соотношениями формируются коэффициенты ковариационной матрицы помеховых сигналов. Сигналы, соответствующие коэффициентам ковариационной матрицы помеховых сигналов, поступают на входы блока 7 обращения ковариационной матрицы помеховых сигналов. Далее сигналы от блока 7 обращения ковариационной матрицы помеховых сигналов поступают на блок 8 формирования вектора весовых коэффициентов. На управляющий вход блока 8 формирования вектора весовых коэффициентов поступает также управляющий сигнал от блока 5 формирования управляющего вектора
0
n
n
0
0
n
0
0
(S=Aexp(-ik(x sinθ cosφ+y sinθ sinφ))), содержащего сведения о направлении прихода полезного сигнала и форме требуемого главного максимума диаграммы направленности. Форма главного максимума диаграммы направленности напрямую зависит от задач, выполняемых антенной решеткой, и способна изменяться в масштабе реального времени. Сигнал о направлении прихода полезного сигнала и изменении амплитудно-фазового распределения токов в излучателях антенной решетки, а следовательно, и формы главного максимума диаграммы направленности выдается блоком 5 формирования управляющего вектора по определенному алгоритму в определенное время. В блоке 8 формирования вектора весовых коэффициентов формируются сигналы для управления соответствующими блоками 3 комплексного взвешивания сигналов. Формирование этих сигналов выполняется на основе правил умножения матриц, которые легко реализуются с использованием перемножителей и сумматоров низкочастотных сигналов. Выходные сигналы блока 8 являются выходными сигналами адаптивного процессора.
В результате на выходах блока 8 формирования весовых коэффициентов создаются управляющие воздействия, поступающие на соответствующие управляющие входы блоков 3 комплексного взвешивания сигналов. Составляющие полезного сигнала, умноженные на свои весовые коэффициенты, поступают в сумматор 4, где производится суммирование сигналов.
0
0
Для исследования возникающих закономерностей рассмотрим антенную решетку 10×6 (N=60), элементы которой расположены с шагом 0.5 λ (λ - длина волны). Сигнально-помеховая обстановка характеризуется направлением прихода полезного сигнала θ=0°, φ=0° и различными направлениями прихода помеховых сигналов.
Результаты исследования приведены на фиг. 3-5.
Многофункциональная адаптивная антенная решетка может быть реализована на современной элементной базе.
Из сказанного следует, что предлагаемая многофункциональная адаптивная антенная решетка в зависимости от вида выполняемой задачи, которой характеризуется форма главного максимума диаграммы направленности, обеспечивает выделение полезного сигнала из принимаемой совокупности полезного и помеховых сигналов с неизвестными параметрами, а также позволяет оперативно изменять форму главного максимума диаграммы направленности и может быть реализована с использованием существующих радиоэлектронных средств и элементов.
Таким образом, введение нового блока формирования управляющего вектора, отвечающего за фазирование антенной решетки в направление прихода полезного сигнала и форму главного максимума диаграммы направленности, позволяет получить технический результат, заключающийся в возможности антенной решетки оперативно изменять форму главного максимума диаграммы направленности за счет изменения амплитудно-фазового распределения токов в излучателях антенной решетки при обработке узкополосных сигналов по отношению к помеховым сигналам независимо от их мощности при любой сигнально-помеховой обстановке.
Литература
1. Монзинго Р.А., Миллер Т.У. Адаптивные антенные решетки: Введение в теорию: Пер. с англ. - М.: Радио и связь, 1986. - 448 с.
2. Авторское свидетельство 1506569. Устройство для приема широкополосных сигналов с адаптивной антенной решеткой / В.И. Журавлев, Г.О. Бокк. - Бюллетень изобретений №33, 25.06.1987 г. - H04L 7/02.
3. Авторское свидетельство 1548820. Адаптивная антенная решетка / Л.А. Марчук, В.В. Поповский, В.И. Евдокимов, С.М. Крымов, И.В. Сергеев. - Бюллетень изобретений №9, 07.03.1990 г. - H01Q 21/00.
4. Патент 2099838 (РФ) - Адаптивная антенная решетка / А.В. Колинько, В.Ф. Комарович, Л.А. Марчук, А.П. Савельев. - Опубл. 20.12.97 г. - Н01Q 21/00.