Адаптивная антенная решетка с предварительным формированием диаграмм направленности каналов
ADAPTIVE ANTENNA ARRAY WITH PRELIMINARY FORMATION OF CHANNEL PATTERN DIAGRAMS

Предлагаемое устройство относится к антенным решеткам, и может быть использовано в радиолокации, радиосвязи.
Известны адаптивные антенные решетки [1]. Они позволяют сформировать главный максимум диаграммы направленности в требуемом направлении для приема полезного сигнала и минимумы приема в направлениях на источники помехи на основе измерения корреляционной матрицы сигналов помехи, принятых элементами решетки, и собственных шумов.
Известны также адаптивные антенные решетки с предварительным формированием диаграмм направленности каналов адаптации [1, 2, 3], осуществляющие предварительное неадаптивное формирование нескольких диаграмм направленности с помощью диаграммообразующей схемы, сигналы с выходов которой поступают в адаптивный процессор, формирующий главный максимум диаграммы направленности в требуемом направлении приема полезного сигнала и минимумы приема в направлении источников помехи. Предварительное формирование диаграмм направленности может использоваться для уменьшения числа каналов адаптации с целью упрощения адаптивного процессора. Наиболее близкая к предлагаемому техническому решению адаптивная антенная решетка, взятая за прототип, состоит из подрешеток и адаптивного процессора, подключенного к их выходам [2].
Недостатком прототипа является то, что главные лепестки диаграмм направленности подрешеток охватывают только область ближних боковых лепестков антенной решетки в целом. Это приводит к тому, что эффективность подавления уменьшается при попадании помехи в область боковых лепестков подрешетки и, особенно, в направления дифракционных максимумов множителя решетки, состоящей из подрешеток [1]. Кроме того, отказ одной или нескольких подрешеток или устройств по пути прохождения их сигналов приводит к значительным искажениям результирующей диаграммы направленности, в частности к увеличению уровня боковых лепестков, что, в свою очередь, ведет к уменьшению помехозащищенности от других типов помех, например, связанных с отражениями полезного сигнала от местных предметов. Наконец, прототип трудно использовать в совмещенной приемо-передающей антенной решетке.
Предлагаемое техническое решение направлено на устранение этих недостатков за счет предлагаемого построения диаграммообразующей схемы для предварительного формирования диаграмм направленности каналов.
Техническим результатом является повышении эффективности антенной решетки и уменьшению искажений результирующей диаграммы направленности.
Технический результат достигается за счет того, что предлагаемая адаптивная антенная решетка с предварительным формированием диаграмм направленности каналов содержит излучатели, многоканальную диаграммообразующую схему и адаптивный процессор и отличается тем, что диаграммообразующая схема состоит из шестиполюсных и восьмиполюсных делителей мощности, причем один вход восьмиполюсных делителей мощности используется в диаграммообразующей схеме наравне с входами шестиполюсных делителей мощности для формирования по ее главному входу требуемой в условиях отсутствия внешних источников помехи диаграммы направленности, а вторые, развязанные с первыми, входы восьмиполюсных делителей мощности подключены к адаптивному процессору, к которому подключен также и главный вход диаграммообразующей схемы.
Кроме того, в адаптивной антенной решетке диаграммообразующая схема состоит из каскадно-соединенных между собой шестиполюсных и восьмиполюсных делителей мощности.
Кроме того, шестиполюсные делители мощности выполнены в виде восьмиполюсных делителей мощности с нагрузкой на одном из входов.
Кроме того, на выходе излучателей расположены малошумящие усилители.
Сущность предлагаемого изобретения поясняется схемами фиг. 1-3. Структурная схема адаптивной антенной решетки приведена на фиг. 1; пример реализации диаграммообразующей схемы - на фиг. 2; пример выполнения адаптивного процессора - на фиг. 3; диаграммы направленности каналов и на выходе адаптивной антенной решетки при наличии трех источников помехи приведены на фиг. 4.
Антенная решетка содержит излучатели 1, шестиполюсные делители мощности 2, восьмиполюсные делители мощности 3 и адаптивный процессор 5. В случае использования, как на прием, так и на передачу, антенная решетка может также содержать циркулятор 4 (или иное устройство разделения сигналов приема-передачи), который не является частью предлагаемого устройства.
Электрическая принципиальная схема диаграммообразующей схемы 12-элементной антенной решетки приведена на фиг. 2. Выходы предварительно сформированных диаграмм направленности адаптивных каналов обозначены W1 - W6, главный вход (выход) диаграммообразующей схемы W6. Восьмиполюсные делители мощности выполнены в виде двухшлейфовых направленных ответвителей 6 и гибридного кольца 7. шестиполюсные делители мощности выполнены в виде Т-разветвлений.
Вариант структурной схемы адаптивного процессора с аналогово-цифровым преобразованием на промежуточной частоте приведен на фиг. 3. Адаптивный процессор состоит из малошумящих усилителей (МШУ) 9, смесителей 10, цифровых понижающих конверторов (DDC) 11, делителя сигнала гетеродина 12, делителя опорного напряжения 13 и цифрового процессора 14.
Предлагаемое устройство работает следующим образом. Сигналы от внешних источников, принятые излучателями 1, поступают в диаграммообразующую схему, состоящую из каскадно-соединенных между собой шестиполюсных 2 и восьмиполюсных 3 делителей мощности, выполняющих функцию суммирования сигналов с весовыми коэффициентами, определяемыми коэффициентами деления указанных делителей. Выходной сигнал последнего 6-ти или 8-полюсника, объединяющего сигналы от всех излучателей, формирует диаграмму направленности по главному входу диаграммообразующей схемы, необходимую для функционирования системы формы при отсутствии внешних источников помех. Обычно это острый луч с пониженным уровнем боковых лепестков за счет соответствующего выбора коэффициентов деления 6-ти и 8- полюсников. Свободные выходы восьмиполюсников являются выходами диаграммообразущей схемы по предварительно сформированным каналам адаптации. Выбор числа 8-полюсников и их расположения в диаграммообразующей схеме определяется необходимым числом каналов адаптации (в свою очередь определяется необходимым числом подавляемых источников помехи) и предполагаемым преимущественным угловым распределением этих источников. Сигналы со всех выходов диаграммообразующей схемы поступают в адаптивный процессор, на выходе которого формируется диаграмма направленности с подавлением приема от источников помехи.
Работа адаптивного процессора не является предметом предлагаемого изобретения и известна из технической литературы [1, 4]. Поясним ее на примере процессора, схема которого представлена на фиг. 3, при использовании в импульсном радиолокаторе. Сигналы с выходов диаграммообразующей схемы усиливаются МШУ 9, преобразуются в смесителях 10 на промежуточную частоту и поступают в DDC 11. В цифровых понижающих конверторах DDC 11 производится их преобразование в цифровую форму и понижение по частоте для выделения комплексной огибающей сигнала путем выделения квадратур, децимации и фильтрации [4], после чего они поступают в цифровой процессор 14. Делители 12 и 13 распределяют сигнал гетеродина по смесителям 10 и опорное напряжение, задающее частоту дискретизации, по DDC 11. Дальнейшая обработка сигналов производится в цифровой форме в цифровом процессоре 14. В период времени отсутствия полезного эхо-сигнала от цели в цифровом процессоре 14 производится оценка корреляционной матрицы помех и шумов, вычисление обратной корреляционной матрицы и вычисление оптимального весового вектора. В последующий период времени все принятые сигналы суммируются в цифровом процессоре с весами, равными коэффициентам оптимального весового вектора, в результате чего происходит адаптивное подавление сигналов от источников помех. Наиболее подходящим для данного устройства является, так называемый, "отбеливающий" алгоритм вычисления оптимального весового вектора [1].
Благодаря развязке входов восьмиполюсных делителей мощности матрица рассеяния по входам диаграммообразующей схемы, подключенным к адаптивному процессору, диагональна, а матрица передачи с этих входов на входы, соединенные с излучателями, имеет ортогональные столбцы. Следствием является диагональность корреляционной матрицы собственных шумов диаграммообразующей схемы, что обеспечивает подавление помех ниже уровня собственных шумов в каналах адаптации [5].
В предлагаемом устройстве диаграммообразующая схемы формирует основную диаграмму направленности независимо от адаптивного процессора, что повышает надежность устройства при выходе из строя (отказе) любых цепочек прохождения сигнала в адаптивном процессоре, кроме одной, на которую поступает сигнал от главного входа диаграммообразующей схемы. При необходимости антенная решетка может использоваться в режиме передачи при установке на главном входе диаграммообразующей схемы устройства разделения сигналов передача-прием, например, циркулятора, как показано на фиг. 1. Диаграммы направленности каналов адаптации имеют большую ширину и не совпадают между собой, что обеспечивает эффективное подавление помех, приходящих с произвольных направлений в пространстве.
Как следует из схемы фиг. 2, диаграммообразующее устройство можно выполнить в виде печатно-полоскового интегрированного устройства, даже вместе с излучателями, что также повышает надежность и уменьшает его стоимость.
Для подтверждения работоспособности устройства на фиг. 4 приведены диаграммы направленности предварительно сформированных каналов W1, W2, W5 и W6 диаграммообразующего устройства, схема которого приведена на фиг. 2, а также диаграмма направленности на выходе адаптивного процессора при наличии трех источников помехи, направления на которые показаны на фиг. 2 стрелками. Как видно, в результате работы устройства в направлениях прихода помех в результате работы предлагаемой адаптивной антенной решетки сформированы минимумы приемной диаграммы направленности. При этом диаграмма направленности по главному входу диаграммообразующей схемы W6 остается неизменной и может использоваться в режиме передачи.
Сущность предлагаемого изобретения не зависит от конкретной реализации восьмиполюсников и шестиполюсников. Важно только, чтобы восьмиполюсники были развязанными, т.е. обладали свойствами направленного ответвителя, у которого каждый вход развязан с одним из трех остальных. Шестиполюсники, в частности, могут быть выполнены в виде восьмиполюсников с нагрузкой на одном из входов.
В адаптивной антенной решетке, работающей только в режиме приема, МШУ могут располагаться на выходе излучателей. В сканирующей антенной решетке на выходах (входах) излучателей могут быть установлены управляемые фазовращатели. Все это не изменяет сущности изобретения.
Возможна модификация предлагаемой адаптивной антенной решетки, в которой диаграммообразующая схема предлагаемого устройства (фиг. 1, 2) предварительно формирует диаграммы направленности в части подрешеток, а адаптивный процессор подключен ко всем выходам всех подрешеток.
Источники информации:
1. Монзинго Р.А., Миллер Т.У. Адаптивные антенные решетки. Введение в теорию / Перевод с англ, под ред. В.А. Лексаченко. М.: «Радио и связь», 1986.
2. О.С. Литвинов, "Теория частично адаптивных антенных решеток", Антенны, №8 (228), 2016, стр. 16-24.
3. J. Gobert, "Adaptiv beam weighting", IEEE Trans, on AP, Sept. 1976, pp. 744-749.
4. Григорьев Л.Н. Цифровое формирование диаграммы направленности в фазированных антенных решетках. М.: Радиотехника, 2010.
5. Ратынский М.В. Адаптация и сверхразрешение в антенных решетках. М.: Радио и связь. 2003.