СПОСОБ КОГЕРЕНТНОЙ КОМПЕНСАЦИИ ПОМЕХ ПРИ ПРИЕМЕ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ ВОЛНЫ АНТЕННОЙ РЕШЕТКОЙ СО СПАДАЮЩИМ АМПЛИТУДНЫМ РАСПРЕДЕЛЕНИЕМ
METHOD FOR COHERENT COMPENSATION OF NOISES IN RECEPTION OF ELECTROMAGNET WAVE BY ANTENNA ARRAY WITH TAPERED AMPLITUDE

Изобретение относится к антенной технике и может быть использовано в радиотехнических системах связи при приеме электромагнитных волн многоканальной антенной системой в условиях воздействия нескольких помех, направления приема которых неизвестны.
Известны способы активной борьбы с помехами, в частности способы череспериодной компенсации помех. В подобном способе [1, с.234] для приема сигнала и помехи используется одна антенна и один радиоприемник. Способ позволяет осуществить компенсацию помехи, которая представляет собой периодически следующие не перекрывающиеся между собой импульсы. Обязательным условием при этом является то, что сигнал и помеха представляют собой импульсы с периодом следования T, возникающие на этом интервале в разное время. Способ основан на том, что принятую при отсутствии сигнала последовательность импульсов помехи задерживают на время, кратное T, и затем вычитают из смеси сигнала и помехи. К недостаткам этого способа относится то, что для его использования необходимо знать временную структуру сигнала и помехи, а уровни сигнала и помехи должны оставаться постоянными.
Известны способы компенсации помех путем их декорреляции [1, с.136, 2, 3], в которых на выходе приемника формируют несколько линейно независимых напряжений:
i
ci
ni
u(t)=u(t)+u(t); i=1, 2, …N,
ci
ni
где u(t) - составляющие сигнала на выходе основного приемника, связанные между собой; u(t) - составляющие помехи на выходе основного приемника; число N может принимать различные значения, так, в [1, с.136] N=3, а в [4]-N=10.
i
ci
ni
i
Затем преобразуют напряжения u(t) таким образом, чтобы, исключив из них составляющие сигнала u(t), определить неизвестные составляющие помехи u(t) для их последующей компенсации. Недостатком этого способа является необходимость формирования линейно независимых напряжений u(t).
Известен способ амплитудной компенсации помех [1, с.214], в котором требуется использование основного и компенсационного приемников, причем на вход компенсационного приемника поступают только помехи с направлений, соответствующих боковым лепесткам диаграммы направленности основной антенны. Для основного приемника используется остронаправленная антенна, а для компенсационного приемника - слабонаправленная антенна. Сущность способа компенсации помех состоит в том, что теми или иными средствами обеспечивают формирование помеховых сигналов, имеющих одинаковые длительности и огибающие и появляющихся одновременно на выходах детекторов в основном и компенсационном приемниках, а затем производят вычитание сигналов основного и компенсационного приемников. Недостатками данного способа является то, что для полной компенсации помех необходимо совпадение диаграмм направленности основной и компенсационной антенн в области боковых лепестков и отсутствие нелинейных искажений сигнала после детектирования.
Известен способ компенсационного подавления помех в двухканальной антенной системе, предложенный в [3, с.344]. Он состоит в том, что осуществляют прием падающей электромагнитной волны основной остронаправленной антенной и компенсационной слабонаправленной антенной. Затем преобразуют амплитуды и фазы сигналов, принятых основной и компенсационной антеннами, таким образом, чтобы при отсутствии сигнала составляющие помехи имели равные амплитуды и фазы, после чего вычитают преобразованный сигнал компенсационной антенны из преобразованного сигнала основной антенны, формируя выходной сигнал двухканальной антенной системы. Недостатком известного способа является то, что он позволяет осуществлять компенсацию только одной помехи, направление приема которой известно. Кроме того, в результате работы двухканальной антенной системы может понижаться уровень сигнала, вследствие того, что сигнал принимает не только основная, но и компенсационная антенна.
Известен способ подавления помех в области боковых лепестков в антенных решетках со спадающим амплитудным распределением [4, с.36]. Чем выше скорость спадания амплитудного распределения к краям раскрыва, тем ниже уровень боковых лепестков антенны и больше ослабление помех. Однако использование спадающего амплитудного распределения приводит к снижению энергетики антенны, что ограничивает возможности данного способа.
Более близким по технической сущности к заявляемому способу является способ когерентной компенсации помех, предложенный в [1, с.220]. Он состоит в том, что теми или иными средствами на выходах усилителей высокой или промежуточной частоты формируют противоположные по фазе помеховые сигналы основного и компенсационного приемников, напряжения основного и компенсационного приемников с учетов весовых коэффициентов суммируют, при этом осуществляют когерентную компенсацию помех, действующих по боковым лепесткам диаграммы направленности приемной антенны основного приемника. Недостатками данного способа является то, что прием падающей электромагнитной волны в основном производят при помощи двух антенн, основной и компенсационной. В силу того что в качестве компенсационной антенны используется ненаправленная антенна с фиксированным положением нуля ДН, возможно снижение уровня полезного сигнала. При использовании компенсационной антенны, формирующей ноль в предполагаемом направлении прихода сигнала, не исключается возможность попадания составляющей полезного сигнала в компенсационный канал при вероятности прихода сигнала с другого направления. Кроме того, диаграмма компенсационной антенны, как правило, отличается от диаграммы направленности основной антенны, что приводит к снижению эффективности когерентной компенсации помех при подавлении нескольких помех.
Предлагаемый способ направлен на устранение перечисленных недостатков известных способов и повышение отношения сигнал/помеха при приеме падающей электромагнитной волны за счет когерентной компенсации помех в антенной решетке со спадающим амплитудным распределением.
Рассмотрим существо предлагаемого способа.
1
2
1
2
Способ когерентной компенсации помех при приеме электромагнитной волны антенной решеткой со спадающим амплитудным распределением, основанный на том, что осуществляют прием и преобразование сигналов и помех, образуют сигналы основного и компенсационного каналов, сигнал в компенсационном канале разделяют на два одинаковых сигнала, один из которых задерживают на четверть периода несущего колебания, образуя сигнал ортогонального компенсационного канала, попарно сравнивают сигналы основного и компенсационного каналов для определения оптимальных весовых коэффициентов, с которыми суммируют компенсационные и основной сигналы, образуя выходной сигнал. В отличие от способа-прототипа прием и преобразование сигналов и помех производят на выходах М элементов антенной решетки, состоящей из двух подрешеток с числом излучателей М и М, где М+М=М. На выходе каждого излучателя в результате трансформации электромагнитного поля в высокочастотные электрические колебания формируют сигналы для первой
1
1
(m=1, 2, …, M) и второй
2
2
i
(m=1, 2, …, M) подрешеток. Неравномерное деление сигналов  и  на два осуществляют таким образом, что на первом выходе каждого делителя образуют сигнал  (i=1, 2), а на втором -  где  - амплитуда возбуждения излучателя m в составе первой и второй подрешеток соответственно, которая является элементом вектора . Сигналы с первых выходов делителей суммируют, образуя выходной сигнал основного канала антенной решетки
0
u. Вторые выходные сигналы излучателей каждой подрешетки  суммируют с комплексными весовыми коэффициентами
i
i
пк
0
пк
вых
(m=1, 2, …, M), образуя выходной сигнал i-го компенсационного канала . Затем формируют разностный компенсационный сигнал , где С выбирают таким образом, чтобы исключить составляющую сигнала в компенсационном сигнале и обеспечить близкие временные зависимости составляющей помех в основном и компенсационном сигналах, образуя сигнал u компенсационного канала. Полученные выходной сигнал основного канала антенны u и разностный компенсационный сигнал u подают, как и в способе-прототипе, на соответствующие входы когерентного компенсатора помех, выполняющего операцию компенсации помехи в выходном сигнале основного канала антенны и формирующего выходной сигнал компенсатора помех u.
Проведенный сравнительный анализ заявленного способа и прототипа показывает, что заявленный способ отличается тем, что изменена совокупность действий:
введено действие, связанное с делением выходных сигналов каждого излучателя на два выходных сигнала, один из которых используют для формирования сигнала основного канала, а вторые сигналы суммируют по подрешеткам для образования двух компенсационных сигналов;
введено действие, связанное с формированием разностного компенсационного сигнала путем взвешенного суммирования двух компенсационных сигналов для исключения составляющей сигнала в компенсационном сигнале и обеспечения близких временных зависимостей составляющей помех в основном и компенсационном сигналах и, в конечном итоге, для формирования нуля диаграммы направленности в направлении прихода сигнала.
Кроме того, изменен порядок выполнения действия: преобразования сигнала основной антенны.
Структурная схема устройства, функционирующего по предлагаемому способу, представлена на фиг.1.
На фиг.2 показана векторная диаграмма напряжений помехи в каналах когерентного компенсатора помех.
На фиг.3 изображены амплитудные распределения в основном канале (сплошная кривая) и компенсационном канале (пунктирная кривая).
На фиг.4 представлено фазовое распределение в раскрыве ФАР в компенсационном канале.
На фиг.5 представлены диаграмма направленности основного канала (сплошная кривая) и разностная диаграмма направленности компенсационного канала в области боковых лепестков (пунктирная кривая).
Рассмотрим предлагаемый способ компенсации помех при приеме электромагнитной волны антенной решеткой со спадающим амплитудным распределением. С учетом структурной схемы устройства компенсации помех, представленной на фиг.1, проведем теоретическое обоснование предлагаемого способа.
1
2
1
2
Рассмотрим приемную М-элементную антенную решетку. Антенная решетка разделена на две подрешетки с числом излучателей М и М (М=М+М). Диаграмма направленности каждого излучателя определяется функцией вида
Пусть источники сигналов и помех возбуждают вблизи приемной антенны изменяемое во времени электромагнитное поле, напряженность которого равна
c
пj
(здесь E и Е - напряженности поля, создаваемые вблизи приемной антенны источником сигнала и j-й помехи соответственно (j=1, 2, …, J)). На выходе каждого излучателя антенной решетки формируют переменный во времени сигнал
0
j
где θ - направление принимаемого сигнала; θ - направление прихода j-й помехи (j=1, 2, …, J).
Для формирования сигналов основного и компенсационного каналов разделим выходные сигналы всех излучателей по мощности на две части. При этом на первых выходах делителей сигналы излучателей будут иметь амплитуду, пропорциональную , а на вторых - . Выбранная конфигурация подрешеток и амплитудное распределение А определяют амплитудное распределение в каждой подрешетке , так как
Сигналы с первых выходов делителей используем для формирования выходного сигнала основного канала антенной решетки, для чего просуммируем все сигналы с первых выходов делителей, т.е.:
0
где F(θ) - диаграмма направленности антенной решетки для основного канала, сформированная за счет спадающего к краям амплитудного распределения, задаваемого М-мерным вектором А.
Выходной сигнал i-го компенсационного канала  получим в виде:
где  - весовые коэффициенты компенсационного канала i-й подрешетки,  - диаграмма направленности i-го компенсационного канала.
Определение весовых коэффициентов для взвешенного суммирования сигналов подрешеток (компенсационных каналов) проведем на основе решения задачи на условный экстремум в следующей постановке.
Пусть известны:
бок
1) Ω - область углов θ вне главного луча диаграммы направленности антенной решетки основного канала;
2)  - диаграммный функционал, характеризующий отклонение разностной диаграммы направленности компенсационного канала  от диаграммы направленности антенной решетки основного канала.
Требуется найти весовые коэффициенты  обеспечивающие  при условии .
Разностную диаграмму направленности компенсационного канала определим в виде:
где
Решение данной задачи может быть получено любым известным градиентным методом оптимизации. В частности, для решения сформулированной задачи можно использовать метод проектируемого градиента [6, с.166], обеспечивающий выполнение ограничения  на амплитуды весовых коэффициентов . После определения весовых коэффициентов  и формирования выходных сигналов i-х компенсационных каналов получаем выходной разностный компенсационный сигнал в виде:
0
p
Решение задачи о приближении функций F(θ) и F(θ) в области боковых лепестков обеспечивает в каждый момент времени выполнение условия:
где D - комплексный нормировочный коэффициент.
Для определения амплитуды и фазы комплексного нормировочного коэффициента и компенсации составляющей помех в основном канале используем когерентный компенсатор помех, принцип действия которого рассмотрен в [1, с.222; 5, с.39].
Процесс когерентной компенсации помех может быть пояснен с помощью векторной диаграммы, приведенной на фиг.2.
0
Выходной сигнал основного канала u в некоторый момент времени на фиг.2 представим как вектор, который получается в результате сложения векторов напряжений помехи
0
п
пк
п
0
p
и сигнала E. Амплитуда выходного разностного сигнала компенсационного канала  может отличаться от амплитуды напряжения помехи в основном канале Е, поскольку основная доля мощности принимаемого сигнала приходится на основной канал. Фаза выходного разностного сигнала компенсационного канала u будет приближаться к фазе напряжения помехи в основном канале Е, так как решение задачи синтеза обеспечивает приближение комплексных функций F(θ) и F(θ) в области боковых лепестков.
пк
п
0
пк
В соответствии со способом когерентной компенсации помех выходной разностный компенсационный сигнал разделяют на два: компенсационный и квадратурный. Квадратурный сигнал задерживают на четверть периода несущего колебания. С использованием корреляционной обработки определяют оптимальные коэффициенты передачи усилителей компенсационного и квадратурного каналов Re(D) и Im(D), которые обеспечивают приближенное равенство Du≈Е. После этого для формирования выходного сигнала предлагаемого компенсатора помех осуществляют вычитание сигналов u и Du, т.е.:
0
Таким образом, выходной сигнал антенной системы содержит только составляющую сигнала E.
Выполнение условия (7) позволяет осуществлять компенсацию различного количества помех, приходящих с произвольных направлений.
0
Работа устройства, функционирующего по предложенному способу, может быть проиллюстрирована с помощью фиг.1. Смесь полезного сигнала и помехи принимается излучателями первой и второй подрешеток 1 и 2 соответственно. После преобразования (блоки усиления и преобразования сигналов на фиг.1 не показаны, так как они выполняют стандартные функции усиления и преобразования) выходные сигналы  излучателей первой подрешетки и выходные сигналы  второй подрешетки поступают на входы делителей 3-8 соответственно, где мощность каждого из них делят на две части таким образом, чтобы первый выходной сигнал имел вес, соответствующий выбранному амплитудному распределению. Вторые выходные сигналы излучателей первой подрешетки  и вторые выходные сигналы излучателей второй подрешетки  поступают на входы сумматоров 9 и 10, в которых суммируются по подрешеткам, образуя два компенсационных сигнала , с весовыми коэффициентами , обеспечивающими минимум отклонения нормированной диаграммы направленности АР основного канала в области боковых лепестков от разностной диаграммы направленности АР компенсационного канала. Первые выходные сигналы излучателей первой и второй подрешеток  поступают на вход сумматора 11, образуя выходной сигнал антенной решетки (АР) u основного канала. Второй компенсационный  сигнал усиливают в усилителе 12, затем первый компенсационный сигнал  и усиленный второй компенсационный сигнал
0
пк
поступают на входы вычитающего устройства 13, в котором производят вычитание усиленного второго компенсационного сигнала  из первого компенсационного сигнала , образуя выходной разностный компенсационный сигнал  Полученные выходной сигнал антенны u основного канала и разностный компенсационный сигнал u поступают на соответствующие входы когерентного компенсатора помех, выполняющего операцию компенсации помехи в выходном сигнале основного канала антенны и формирующего выходной сигнал предлагаемого компенсатора помех
1
2
Блоки 1, 2 представляют собой антенные решетки, одна из которых состоит из M, а вторая - из М излучателей.
Блоки 3-8 представляют собой делители мощности или направленные ответвители с регулируемой связью [4, с.297-309; 8, с.57-75].
Блоки 9-11 представляют собой схемы суммирования выходных сигналов в подрешетках излучателей. В настоящее время известен целый ряд схем суммирования, которые содержат сумматоры и фазовращатели, а также аттенюаторы или СВЧ-усилители в случае реализации активной ФАР [4, с.297-309; 8, с.57-87].
Блок 12 представляет собой усилитель радиочастоты [4, с.514-527; 8, с.222-225].
Блок 13 представляет собой сумматор (с одним из инвертирующих входов) или сумматор с подключенным к одному из входов фиксированным фазовращателем на 180° [4, с.297-309; 8, с.57-87].
Блок 14 представляет собой схему устройства, реализующего когерентную компенсацию помех с помощью квадратурных преобразователей для выполнения операции комплексного взвешивания [1, с.222, рис.5.20].
Таким образом, устройство, реализующее предлагаемый способ, состоит из стандартных блоков, реализация которых описана в известной литературе [4, 5, 7-9].
Для оценки эффективности предлагаемого способа были проведены численные исследования, в ходе которых рассмотрена М-элементная антенная решетка, состоящая из 32-х излучателей. Выделим в ней две подрешетки с числом излучателей
1
2
1
2
М и М. В рассматриваемом примере первые шестнадцать излучателей образуют первую подрешетку, последующие излучатели образуют вторую подрешетку, т.е. М=М=16. Выбираем амплитудное распределение на первых выходах делителей мощности, спадающее по закону косинуса, в виде:
Определим амплитуду распределения на вторых выходах делителей мощности с помощью соотношений вида:
В выражениях (10), (11) амплитуды крайних излучателей равны нулю, так как они существенно влияют на формирование ДН. Это влияние приводит к заметным отличиям синтезированной ДН от заданной.
Амплитудные распределения в основном канале антенной решетки (сплошная кривая) и компенсационном канале (пунктирная кривая) представлены на фиг.3.
При решении оптимизационной задачи в качестве функционала  использовалось среднеквадратическое отклонение:
На основании исходных данных методом проектируемого градиента [6, с.166-167] получено фазовое распределение, представленное на фиг.4.
j
0
p
На фиг.5 представлены диаграмма направленности основного канала (сплошная кривая) и разностная диаграмма направленности компенсационного канала в области боковых лепестков (пунктирная кривая). Для того чтобы продемонстрировать близость диаграмм направленности основного и компенсационного каналов в области боковых лепестков, разностная диаграмма направленности умножена на величину |D|. Фактически, при реализации предлагаемого способа комплексное значение D, наилучшим образом соответствующее помеховой обстановке, определяется в когерентном компенсаторе помех. Из анализа фиг.5 следует, что для рассматриваемого примера предлагаемый компенсатор помех обеспечит полное подавление помех, приходящих с направлений θ∈θ, так как на этом отрезке F(θ)=F(θ)|D|.
Таким образом, введение новых действий, связанных с формированием сигнала основного канала, с особенностями образования компенсационного канала на основе формирования двух компенсационных сигналов и последующего формирования на их основе разностного компенсационного сигнала, чтобы обеспечить исключение составляющей сигнала в компенсационном сигнале и близкие временные зависимости составляющей помех в основном и компенсационном сигналах и изменение порядка выполнения действия, связанного с преобразованием сигнала компенсационного канала, которые обеспечивают реализацию предлагаемого способа, позволяет при приеме электромагнитной волны антенной решеткой со спадающим амплитудным распределением получить повышение отношения сигнал/помеха за счет подавления большого количества помех, приходящих с произвольных направлений, соответствующих области боковых лепестков антенной решетки основного канала.
Источники информации
1. Максимов М.В. Защита от радиопомех. - М.: Сов. Радио. 1976, 496 с.
2. Патент 2235392 (Россия). Способ подавления помех при приеме электромагнитной волны круговой поляризации биортогональной антенной системой. / Е.Н.Мищенко, С.Е.Мищенко, В.В.Шацкий // 2004, БИ №24 - Н01Q 3/26.
3. Ерохин Г.А. Антенно-фидерные устройства и распространение радиоволн. - 2-е изд., испр. - М.: Горячая линия - Телеком. 2004, 491 с.
4. Воскресенский Д.И. Антенны и устройства СВЧ (проектирование фазированных антенных решеток). - 2-е изд., доп. и перераб. - М.: Радио и связь. 1994, 592 с.
5. Лосев А.Г. Адаптивная компенсация помех в каналах связи. - М.: Радио и связь. 1988, 208 с.
6. Зелкин Е.Г., Соколов В.Г. Методы синтеза антенн: Фазированные антенные решетки и антенны с непрерывным раскрывом. - М.: Сов. Радио. 1980, 296 с.
7. Монзинго Р.А., Миллер Т.У. Адаптивные антенные решетки. - М.: Радио и связь. 1986, 448 с.
8. Веселов Г.И., Егоров Е.Н. Микроэлектронные устройства СВЧ. - М.: Высш. шк. 1988, 280 с.
9. Сазонов Д.М. Антенны и устройства СВЧ. - М.: Высш. шк. 1988, 432 с.