Многолучевая антенная система с одним выходом

Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано для приема сигналов с различных направлений на одно приемное устройство.

Известны адаптивные антенные решетки [1, 2], позволяющие осуществлять ослабление помеховых воздействий и требующие априорную информацию о полезном сигнале или о направлении на источник полезного сигнала. При этом при использовании информации о направлении имеется возможность сформировать только один луч в направлении возможного прихода полезного сигнала.

Недостатком данных устройств является отсутствие возможности формирования диаграммы направленности с несколькими лучами в направлениях на несколько источников полезного сигнала.

Известна многолучевая фазированная антенная решетка (ФАР) [3], которая используется для радиосвязи с пространственно распределенными по азимуту корреспондентами без изменения ориентации самой ФАР. Она содержит матрицу Батлера, состоящую из квадратурных направленных ответвителей и фиксированных фазовращателей. Матрица Батлера позволяет получить многолучевую систему со многими входами и выходами, каждому из которых соответствует свой луч.

Известны устройства формирования лучей, называемые зачастую диаграммообразующими схемами (ДОС), многолучевых антенных решеток, реализуемых с использованием матриц Батлера, Бласса и Нолена [4], которые позволяют получить многолучевую антенную систему со многими входами и выходами. При этом каждому выходу соответствует свой луч.

Недостатки существующих многолучевых антенных систем состоят в том, что они имеют много выходов. Число выходов равно количеству формируемых лучей. Это не позволяет сформировать максимальные коэффициенты усиления в нескольких ожидаемых направлениях прихода полезных сигналов для приема радиоприемником с одним входом.

Целью изобретения является создание многолучевой антенной системы с одним выходом.

Поставленная цель достигается тем, что антенная система содержит:

- антенную решетку, состоящую из пространственно разнесенных антенных элементов;

- диаграммообразующую схему, содержащую блоки весовых коэффициентов w₁, w_2,…, w_K, которые управляют формой диаграммы направленности;

- сумматор, суммирующий сигналы с выходов диаграммообразующей схемы, выход сумматора является выходом антенной системы;

- блок расчета весовых коэффициентов w_k (k=1,…, K), зависящих от априорной информации о расположении антенных элементов и параметров диаграммы направленности;

- блок, формирующий ожидаемые направления прихода сигналов;

- блок задания параметров диаграммы направленности (ДН).

При этом выходы антенных элементов антенной решетки, соединены с соответствующими входами блоков весовых коэффициентов, выходы которых соединены с входами сумматора, имеющего один выход. Выход блока формирования ожидаемых направлений прихода сигналов соединен с входом блока задания параметров ДН. Выход блока задания параметров ДН соединен с входом блока расчета весовых коэффициентов, выходы которого соединены с соответствующими входами блоков весовых коэффициентов.

Сущность изобретения поясняется рисунками (фиг. 1-5).

На фиг. 1 показана принципиальная схема многолучевой антенной системы с одним выходом, на фиг. 2 - таблица исходных параметров диаграмм направленности для заданных направлений, на фиг. 3 представлено изображение однолучевой ДН, на фиг. 4 представлено изображение двух лучей ДН, на фиг. 5 представлено изображение трех лучей ДН.

Многолучевая антенная система с одним выходом состоит из антенной решетки 1, содержащей антенные элементы 1.1, 1.2,…, 1.К, диаграммообразующей схемы 2, состоящей из блоков весовых коэффициентов 2.1, 2.2,…, 2.К, сумматора 3, блока формирования ожидаемых направлений прихода сигнала 4, блока задания параметров ДН 6, блока расчета весовых коэффициентов 5.

Каждый выход антенного элемента 1.1, 1.2,…, 1.К, антенной решетки 1, соединен с входом соответствующего блока весового коэффициента 2.1, 2.2,…, 2.К диаграммообразующей схемы 2.

Выход блока формирования ожидаемых направлений прихода сигналов 4 соединен с входом блока задания параметров ДН 6, выход которого соединен с входом блока расчета весовых коэффициентов 5.

Выходы блока расчета весовых коэффициентов 5 соединены с соответствующими входами блоков весовых коэффициентов 2.1, 2.2,…, 2.К диаграммообразующей схемы 2.

Выходы блоков весовых коэффициентов 2.1, 2.2,…, 2.К диаграммообразующей схемы 2 соединены с соответствующими входами сумматора 3, у которого один выход.

Многолучевая антенная система с одним выходом имеет диаграмму направленности, которая в комплексной форме определяется выражением

где ρ_k и ϕ_k - полярные координаты k-го элемента (k=1, 2,…, K) решетки, λ - длина волны излучения предполагаемого источника сигнала. Показатель степени при экспоненте представляет собой набег фазы, обусловленный разностью хода сигнала между фазовым центром антенной решетки и k-м элементом.

Из выражения (1) видно, что диаграмма направленности непосредственно зависит от весовых коэффициентов w_k (k=1, 2,…, K) и от координат ρ_k и ϕ_k антенных элементов. При постоянных координатах антенных элементов за счет выбора значений коэффициентов w_k в соответствии с требуемым критерием можно управлять формой диаграммы направленности.

Антенные элементы 1.1, 1.2,…, 1.К, антенной решетки 1 имеют вертикальную поляризацию и круговую равномерную диаграмму направленности в горизонтальной плоскости.

Для формирования лучей в ДН антенной системы блок формирования ожидаемых направлений прихода сигнала 4 формирует направления на М ожидаемых источников сигнала и передает их в блок задания параметров ДН 6, блок задания параметров ДН 6 выдает в блок расчета весовых коэффициентов 5 параметры диаграммы направленности b(θ₁), b(θ₂),..., b(θ_M) в направлениях на источники сигнала и нулевые значения вне этих направлений.

Блок расчета весовых коэффициентов 5 рассчитывает вектор весовых коэффициентов W=[w₁, w₂, w_K]^T, удовлетворяющий этим ограничениям из системы уравнений (2).

Здесь N - общее число заданных значений ДН, индекс «т» означает транспонирование.

Перепишем систему (2) в матричном виде

где

А - матрица размерностью K×N, В - вектор столбец размерностью N×1.

Здесь k=1, 2,…, К, n=1, 2,…, N.

Система (3) содержит N уравнений с K неизвестными. Как правило, N≥K. При N>K система относится к классу переопределенных и не может быть решена с применением обратной матрицы, поскольку обратная матрица существует только лишь для квадратных матриц. Решение такой задачи может быть найдено с помощью метода наименьших квадратов [5]. В этом методе решение отыскивается с применением аппарата псевдообратных матриц в следующем виде

Если матрица А не вырождена, т.е. имеет полный ранг (в данном случае ранг, равный K), то псевдообратная матрица определяется по формуле

и система (3) имеет единственное решение, определяемое с помощью (4).

При N=K вектор (4) является точным решением системы (3). При выполнении условия N>K вектор (4) представляет приближенное решение, минимизирующее среднеквадратическое отклонение заданных значений диаграммы направленности В(θ) от значений синтезируемой ДН.

Полученные векторы весовых коэффициентов W=[w₁, w₂,…, w_K]^T передаются в соответствующий блок весовых коэффициента 2.1, 2.2,…, 2.К.

Блоки весовых коэффициентов 2.1, 2.2,…, 2.К, получив векторы весовых коэффициентов W=[w₁, w₂, w_K]^T от блока расчета весовых коэффициентов 5 и сигналы с антенных элементов 1.1, 1.2,…, 1.К антенной решетки 1, управляя фазой и амплитудой сигналов, формируют полученные сигналы. Сформированные сигналы поступают на сумматор 3, где происходит их сложение и подача на один выход антенной системы.

Результаты моделирования подтверждают работоспособность многолучевой антенной системы с одним выходом. Рассмотрим линейную антенную решетку 1 с семью антенными элементами, расположенными на расстоянии друг от друга, равном 75 см. При моделировании предполагалось, что используются антенные элементы с вертикальной поляризацией, круговой диаграммой направленности в горизонтальной плоскости и коэффициентом усиления, равным 1.

Задавались следующие направления прихода лучей: 0° - для однолучевой диаграммы; -40° и 40° - для двухлучевой диаграммы; -40°, 0° и 40° - для трехлучевой диаграммы. Расчеты диаграмм проводились для углов от 0° до 180° через каждые 2°. Исходные параметры диаграммы направленности для заданных направлений приведены в Таблице фиг. 2. Вне этих направлений значения ДН полагались равными нулю. На фиг. 3-5 представлены изображения однолучевой, двухлучевой и трехлучевой синтезированных ДН, а также приведены значения весовых коэффициентов W, формирующих эти диаграммы.

Из рисунков (фиг. 3-5) следует, что предложенный алгоритм работы многолучевой антенной системы с одним выходом позволяет сформировать лучи в заданных направлениях ДН. При этом отношение амплитуд главных лепестков синтезированных диаграмм направленности более чем на 20 дБ превышает уровень боковых лепестков.

Данная многолучевая антенная система с одним выходом позволяет сформировать несколько лучей в ожидаемых направлениях источников сигнала.

Литература

1. Уидроу Б., Стирнз С. Адаптивная обработка сигналов. Введение в теорию. Пер. с англ. - М: Радио и связь, 1989. - 440 с.

2. Монзинго Р., Миллер Т.У. Адаптивные антенные решетки. Введение в теорию: Пер с англ. М.: Радио и связь, 1986. - 448 с.

3. Горбачев А.П., Мичурина Т.В. Четырехлучевая печатная фазированная антенная решетка с матрицей Батлера на связанных линиях. М.: Электросвязь, 2014 г., №1, с. 42-44.

4. Хансен Р.С. Фазированные антенные решетки. Пер. с англ. под ред. А.И. Синани. М.: Техносфера. 2012. - 560 с.

5. Беклемишев Д.В. Дополнительные главы линейной алгебры.- М.: Наука. Главная редакция физико-математической литературы, 1983. - 336 с.