RU2707985C2 - Automated multifunctional adaptive antenna array - Google Patents

Automated multifunctional adaptive antenna array Download PDF

Info

Publication number
RU2707985C2
RU2707985C2 RU2018106256A RU2018106256A RU2707985C2 RU 2707985 C2 RU2707985 C2 RU 2707985C2 RU 2018106256 A RU2018106256 A RU 2018106256A RU 2018106256 A RU2018106256 A RU 2018106256A RU 2707985 C2 RU2707985 C2 RU 2707985C2
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
keys
vector
blocks
outputs
inputs
Prior art date
Application number
RU2018106256A
Other languages
Russian (ru)
Other versions
RU2018106256A (en
RU2018106256A3 (en
Inventor
Артем Николаевич Новиков
Екатерина Евгеньевна Новикова
Original Assignee
Федеральное государственное казенное военное образовательное учреждение высшего образования "Военная академия Ракетных войск стратегического назначения имени Петра Великого" МО РФ
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Федеральное государственное казенное военное образовательное учреждение высшего образования "Военная академия Ракетных войск стратегического назначения имени Петра Великого" МО РФ filed Critical Федеральное государственное казенное военное образовательное учреждение высшего образования "Военная академия Ракетных войск стратегического назначения имени Петра Великого" МО РФ
Priority to RU2018106256A priority Critical patent/RU2707985C2/en
Publication of RU2018106256A publication Critical patent/RU2018106256A/en
Publication of RU2018106256A3 publication Critical patent/RU2018106256A3/ru
Application granted granted Critical
Publication of RU2707985C2 publication Critical patent/RU2707985C2/en

Links

Images

Classifications

    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01QANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q3/00Arrangements for changing or varying the orientation or the shape of the directional pattern of the waves radiated from an antenna or antenna system
    • H01Q3/26Arrangements for changing or varying the orientation or the shape of the directional pattern of the waves radiated from an antenna or antenna system varying the relative phase or relative amplitude of energisation between two or more active radiating elements; varying the distribution of energy across a radiating aperture

Landscapes

  • Variable-Direction Aerials And Aerial Arrays (AREA)

Abstract

FIELD: physics.SUBSTANCE: invention relates to antenna engineering and can be used in radio communication, radiolocation and radio navigation systems when receiving signals under interference conditions. Essence of the invention is that the prototype further includes N band-pass filters, an operator panel, K adders by frequency component, as well as K keys K1 and K keys K2, the number of units for complex signal weighting increased by K times, in the adaptive processor additionally introduced are K-1 units for forming a weight coefficient vector, a unit for approximating the vector of weight coefficients, K keys K1 and K keys K2.EFFECT: similar design enables to simultaneously receive narrow-band and broadband signals coming from different directions from different radio devices in a complex signal-noise environment.1 cl, 6 dwg

Description

Изобретение относится к антенной технике и может быть использовано в радиотехнических системах связи, радиолокации и радионавигации при приеме сигналов в условиях воздействия помех.The invention relates to antenna technology and can be used in radio communication systems, radar and radio navigation when receiving signals in the presence of interference.

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.Known adaptive antenna array [1, p. 56, 2] containing N antenna elements. A device with quadrature channels is introduced into the channel of each antenna element, with the help of which the signal is divided into in-phase and quadrature components, and each of the components is subjected to the operation of multiplication by the weight coefficient. The signals obtained after such processing are added to the adder. The management of the values of weights is carried out using a signal processor.

Однако данная адаптивная антенная решетка функционирует в узкой полосе частот, форма диаграммы направленности будет постоянной, а сама антенна сможет выполнять только одну функцию.However, this adaptive antenna array operates in a narrow frequency band, the shape of the radiation pattern will be constant, and the antenna itself can only perform one function.

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.Known adaptive antenna array [3], containing antenna elements, hybrid devices that provide separation of signals into in-phase and quadrature components, weight multipliers, a common adder, adaptive circuits, band-pass and barrage filters, power measurement units, a comparison unit and a control unit. Using filters, power measurement units, a comparison unit, and a control unit, the output power of the total adder is minimized and maximized in the modes of suppressing interference and extracting a useful signal.

Недостатком данной адаптивной антенной решетки является усложнение схемы адаптивной антенной решетки и необходимость раздельного выполнения режимов минимизации помехи и максимизации мощности полезного сигнала. Также она способна принимать только один полезный сигнал в единицу времени.The disadvantage of this adaptive antenna array is the complexity of the adaptive antenna array and the need for separate execution of the modes to minimize interference and maximize the power of the useful signal. It is also capable of receiving only one useful signal per unit of time.

Известна адаптивная антенная решетка [4] содержит N антенных элементов, на выходах которых установлены N полосовых фильтров, M×N блоков комплексного взвешивания сигналов, М сигнальных сумматоров, общий сумматор и адаптивный процессор. Адаптивный процессор выполнен в виде совокупности М блоков формирования весовых коэффициентов. М выходов каждого из N полосовых фильтров соединены для соответствующей частотной составляющей полезного сигнала с соответствующими входами М блоков формирования весовых коэффициентов непосредственно, а с соответствующими входами М сигнальных сумматоров - через блоки комплексного взвешивания сигналов. Данная адаптивная антенная решетка обладает высокой помехоустойчивостью при обработке широкополосных сигналов при любой сигнально-помеховой обстановке.Known adaptive antenna array [4] contains N antenna elements, the outputs of which are N bandpass filters, M × N blocks of complex signal weighting, M signal adders, a common adder and an adaptive processor. The adaptive processor is made in the form of a set of M blocks for the formation of weighting factors. The M outputs of each of the N band-pass filters are connected directly to the corresponding frequency component of the useful signal with the corresponding inputs of the M weighting units, and with the corresponding inputs of the M signal adders via the complex signal weighting units. This adaptive antenna array has high noise immunity when processing broadband signals in any signal-noise environment.

Основным недостатком рассматриваемой адаптивной антенной решетки является то, что она способна принимать только один полезный сигнал в единицу времени. Второй недостаток - отсутствие функции универсальности, то есть адаптивная антенная решетка может применяться только для систем радиосвязи, либо только для систем радионавигации, либо только для систем радиолокации.The main disadvantage of the adaptive antenna array under consideration is that it is capable of receiving only one useful signal per unit time. The second drawback is the lack of a universality function, that is, the adaptive antenna array can only be used for radio communication systems, or only for radio navigation systems, or only for radar systems.

Наиболее близким аналогом (прототипом) является многофункциональная адаптивная антенная решетка [5], содержащая N антенных элементов, N блоков комплексного взвешивания сигналов, адаптивный процессор и общий сумматор. Адаптивный процессор состоит из блока формирования управляющего вектора, отвечающего за фазирование антенной решетки в направление прихода полезного сигнала и форму главного максимума диаграммы направленности, блока формирования ковариационной матрицы помеховых сигналов, блока обращения ковариационной матрицы помеховых сигналов, блока формирования вектора весовых коэффициентов. Выходы N антенных элементов подключены ко входам N блоков комплексного взвешивания сигналов и ко входам блока формирования ковариационной матрицы помеховых сигналов, являющимися соответствующими входами адаптивного процессора. Выходы блока формирования ковариационной матрицы помеховых сигналов через блок обращения ковариационной матрицы помеховых сигналов подключены ко входам блока формирования вектора весовых коэффициентов. Выход блок формирования управляющего вектора подключен к управляющему входу 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.The closest analogue (prototype) is a multifunctional adaptive antenna array [5], containing N antenna elements, N blocks of complex signal weighing, an adaptive processor and a common adder. The adaptive processor consists of a control vector generating unit responsible for phasing the antenna array in the direction of arrival of the useful signal and the shape of the main maximum of the radiation pattern, the generating unit of the covariance matrix of the interfering signals, the inverse unit of the covariance matrix of the interfering signals, and the generating unit of the weight vector. The outputs of the N antenna elements are connected to the inputs of the N blocks of the complex signal weighting and to the inputs of the block forming the covariance matrix of the interference signals, which are the corresponding inputs of the adaptive processor. The outputs of the unit for generating the covariance matrix of interfering signals through the unit for reversing the covariance matrix of interfering signals are connected to the inputs of the unit for generating the vector of weighting coefficients. The output of the control vector generation unit is connected to the control input of the weight vector forming unit. The outputs of the unit for generating the vector of weighting coefficients, which are the outputs of the adaptive processor, are connected to the control inputs of N blocks of complex weighing, the outputs of which are connected to a common adder.

Недостатком данной многофункциональной адаптивной антенной решетки является то, что она функционирует в узкой полосе частот и не способна одновременно принимать несколько полезных сигналов, приходящих с различных направлений.The disadvantage of this multifunctional adaptive antenna array is that it operates in a narrow frequency band and is not able to simultaneously receive several useful signals coming from different directions.

Предлагаемая автоматизированная многофункциональная адаптивная антенная решетка направлена на достижение технического результата, заключающегося в возможности антенной решетки одновременно формировать более одной диаграммы направленности для различных частотных диапазонов в различных направлениях и оперативно изменять формы главных максимумов диаграмм направленности, за счет изменения амплитудно-фазового распределения токов в излучателях антенной решетки в сложной сигнально-помеховой обстановке. Это позволяет одновременно использовать одну и ту же антенную решетку для различных целей, например, для радиосвязи или для радиолокации, или для радионавигации и т.д., что делает ее универсальной для различных систем.The proposed automated multifunctional adaptive antenna array is aimed at achieving a technical result consisting in the ability of the antenna array to simultaneously generate more than one radiation pattern for different frequency ranges in different directions and quickly change the shapes of the main maxima of radiation patterns due to changes in the amplitude-phase distribution of currents in the antenna emitters gratings in a complex signal-noise environment. This allows you to simultaneously use the same antenna array for various purposes, for example, for radio communications or for radar, or for radio navigation, etc., which makes it universal for various systems.

Для достижения указанного технического результата в многофункциональную адаптивную антенную решетку, являющуюся наиболее близким аналогом (прототипом), содержащую N антенных элементов, N блоков комплексного взвешивания сигналов, общий сумматор, адаптивный процессор, состоящий из блока формирования вектора весовых коэффициентов, в состав которого входят блок формирования управляющего вектора, блок формирования ковариационной матрицы помеховых сигналов, блок обращения ковариационной матрицы помеховых сигналов, блок перемножения, дополнительно введены N полосовых фильтров, пульт оператора, K сумматоров по частотной составляющей, а также K ключей К1 и K ключей К2, количество блоков комплексного взвешивания сигналов увеличено в K раз, в адаптивный процессор дополнительно введены K-1 блоков формирования вектора весовых коэффициентов, блок аппроксимации вектора весовых коэффициентов, K ключей К1 и K ключей К2, причем выходы N антенных элементов через N полосовых фильтров подключены к соответствующим информационным входам N×K блоков комплексного взвешивания сигналов, а также к информационным входам блока формирования ковариационной матрицы помеховых сигналов каждого из K блоков формирования вектора весовых коэффициентов адаптивного процессора, управляющие выходы пульта оператора подключены к блоку формирования управляющего вектора каждого из K блоков формирования вектора весовых коэффициентов адаптивного процессора, выходы блока формирования ковариационной матрицы помеховых сигналов подключены к соответствующим входам блока обращения ковариационной матрицы помеховых сигналов, выходы которого подключены к первым входам блока перемножения, второй вход блока перемножения подключен к выходу блока формирования управляющего вектора, выходы каждого из K блока перемножения, являющиеся выходами K блоков формирования вектора весовых коэффициентов через K ключей К1 подключены ко входам блока аппроксимации вектора весовых коэффициентов, выход которого является управляющим выходом адаптивного процессора, подключенным к соответствующим управляющим входам N×K блоков комплексного взвешивания сигналов, а через K ключей К2 подключены к соответствующим управляющим входам N×K блоков комплексного взвешивания сигналов, выходы N×K блоков комплексного взвешивания сигналов подключены к соответствующим K сумматорам по частотной составляющей, выходы K сумматоров по частотной составляющей через K ключей К1 подключены к общему сумматору, выход которого является выходом устройства, а через K ключей К2 к выходам устройства.To achieve the specified technical result, a multifunctional adaptive antenna array, which is the closest analogue (prototype), containing N antenna elements, N blocks of complex signal weighing, a common adder, an adaptive processor, consisting of a unit for generating a vector of weight coefficients, which includes a unit for generating control vector, covariance matrix generation block of interfering signals, covariance matrix reversal block of interfering signals, multiplication block, additional Additionally, N bandpass filters, an operator panel, K totalizers in the frequency component, as well as K keys K1 and K keys K2, were added, the number of blocks for complex signal weighting was increased K times, K-1 blocks for generating the vector of weighting factors were additionally introduced into the adaptive processor, block approximations of the vector of weights, K keys K1 and K keys K2, and the outputs of N antenna elements through N bandpass filters are connected to the corresponding information inputs of N × K blocks of complex signal weighting, as well as to and to the information inputs of the covariance matrix matrix of the interference signals of each of K adaptive processor weight coefficients vector generation blocks, the control panel operator outputs are connected to the control vector of each of the K adaptive processor weight vector formation blocks, the outputs of the covariance matrix of interference signals are connected to the corresponding the inputs of the block of treatment of the covariance matrix of interference signals, the outputs of which are connected are connected to the first inputs of the multiplication unit, the second input of the multiplication unit is connected to the output of the control vector generation unit, the outputs of each of the K multiplication unit, which are the outputs of the K units of the formation of the weight vector through K keys K1, are connected to the inputs of the approximation unit of the weight vector, the output of which is control output of the adaptive processor connected to the corresponding control inputs of N × K blocks of complex signal weighing, and through K keys K2 are connected to the corresponding control inputs of N × K blocks of complex signal weighing, outputs of N × K blocks of complex signal weighing are connected to the corresponding K adders in the frequency component, outputs of K adders in the frequency component through K keys K1 are connected to a common adder, the output of which is the output of the device, and through K keys K2 to the outputs of the device.

Проведенный сравнительный анализ заявленного устройства и прототипа показывает, что заявленное устройство отличается тем, что:A comparative analysis of the claimed device and prototype shows that the claimed device is characterized in that:

- введены N полосовых фильтров, пульт оператора, K сумматоров по частотной составляющей, 2K ключей К1 и 2K ключей К2, количество блоков комплексного взвешивания сигналов увеличилось в K раз;- N band-pass filters, an operator console, K totalizers for the frequency component, 2K keys K1 and 2K keys K2 were introduced, the number of blocks for complex signal weighting increased K times;

- изменены связи между элементами;- Changed the relationship between the elements;

- в адаптивный процессор дополнительно введены K-1 блоков формирования вектора весовых коэффициентов и блок аппроксимации вектора весовых коэффициентов.- K-1 blocks of the formation of the vector of weight coefficients and an approximation block of the vector of weight coefficients are additionally introduced into the adaptive processor.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг. 1 приведена структурная схема автоматизированной многофункциональной адаптивной антенной решетки.The invention is illustrated by drawings, where in FIG. 1 is a structural diagram of an automated multifunctional adaptive antenna array.

На фиг. 2 представлена структурная схема адаптивного процессора.In FIG. 2 shows a block diagram of an adaptive processor.

На фиг. 3 приведена структурная схема блока формирования весовых коэффициентов.In FIG. 3 is a structural diagram of a weighting unit.

На фиг. 4 приведен частотный диапазон функционирования автоматизированной многофункциональной адаптивной антенной решетки, разделенный на K частных каналов обработки.In FIG. Figure 4 shows the frequency range of functioning of an automated multifunctional adaptive antenna array, divided into K private processing channels.

На фиг. 5 приведена оптимальная (1) и аппроксимированная (2) частотная зависимость реальной части вектора весовых коэффициентов.In FIG. Figure 5 shows the optimal (1) and approximated (2) frequency dependence of the real part of the vector of weight coefficients.

На фиг. 6 приведена оптимальная (1) и аппроксимированная (2) частотная зависимость мнимой части вектора весовых коэффициентовIn FIG. Figure 6 shows the optimal (1) and approximated (2) frequency dependence of the imaginary part of the vector of weight coefficients

В состав автоматизированной многофункциональной адаптивной антенной решетки (фиг. 1) входят антенные элементы 1, образующие N-элементную антенную решетку и подключенные к N полосовым фильтрам 2. Пульт оператора 3 подключен к адаптивному процессору 4, выходы N полосовым фильтрам 2 подключены к адаптивному процессору 4 и ко входам N×K блоков 5 комплексного взвешивания сигналов. Выходы адаптивного процессора 4 подключены ко входам N×K блоков 5 комплексного взвешивания сигналов, выходы N×K блоков 5 комплексного взвешивания сигналов подключены к соответствующим K сумматорам по частотной составляющей 6, выходы которых через K ключей К1 подключены к общему сумматору 7, а через K ключей К2 являются выходами устройства.The structure of an automated multifunctional adaptive antenna array (Fig. 1) includes antenna elements 1 forming an N-element antenna array and connected to N bandpass filters 2. The operator console 3 is connected to the adaptive processor 4, the outputs of the N bandpass filters 2 are connected to the adaptive processor 4 and to the inputs of N × K blocks 5 of the integrated signal weighting. The outputs of the adaptive processor 4 are connected to the inputs of the N × K blocks 5 of the complex signal weighting, the outputs of the N × K blocks 5 of the complex signal weighting are connected to the corresponding K adders in the frequency component 6, the outputs of which through K keys K1 are connected to the common adder 7, and through K K2 keys are device outputs.

Адаптивный процессор 4 (фиг. 2) состоит из совокупности K блоков 8 формирования вектора весовых коэффициентов, управляющие входы которых соединены с пультом оператора 3, а информационные входы - с выходами полосовых фильтров 2. Выходы K блоков 8 формирования вектора весовых коэффициентов через K ключей К1 подключены к блоку 9 аппроксимации вектора весовых коэффициентов, выход которого является управляющим выходом адаптивного процессора, а через K ключей К2 являются управляющими выходами адаптивного процессора.Adaptive processor 4 (Fig. 2) consists of a set of K blocks 8 forming a vector of weight coefficients, the control inputs of which are connected to the operator panel 3, and the information inputs are connected to the outputs of bandpass filters 2. The outputs of K blocks 8 of forming a vector of weight coefficients through K keys K1 connected to the block 9 approximation of the vector of weights, the output of which is the control output of the adaptive processor, and through K keys K2 are the control outputs of the adaptive processor.

Каждый из K блоков 8 формирования вектора весовых коэффициентов (фиг. 3) состоит из блока 10 формирования управляющего вектора, управляющий вход которого соединен с пультом оператора 3, а выход со входом блока 13 перемножения, блока 11 формирования ковариационной матрицы помеховых сигналов, входы которого подключены к выходам полосовых фильтров 2. N выходов блока 11 формирования ковариационной матрицы помеховых сигналов соединены с N входами блока 12 обращения ковариационной матрицы помеховых сигналов, выходы которого соединены со входами блока 13 перемножения. Выход блока 13 перемножения является выходом блока 8 формирования вектора весовых коэффициентов.Each of the K blocks 8 of the formation of the vector of weight coefficients (Fig. 3) consists of a block 10 of the formation of the control vector, the control input of which is connected to the operator panel 3, and the output with the input of the block 13 multiplication, block 11 of the formation of the covariance matrix of the interference signals, the inputs of which are connected to the outputs of the bandpass filters 2. The N outputs of the block 11 for generating a covariance matrix of interference signals are connected to the N inputs of the block 12 of the inverse of the covariance matrix of interference signals, the outputs of which are connected to the inputs of the block 13 multiplication. The output of the multiplication block 13 is the output of the weighting vector unit 8.

Прежде чем рассмотреть функционирование предлагаемой автоматизированной многофункциональной адаптивной антенной решетки, проведем теоретическое обоснование приема узкополосного полезного сигнала или части широкополосного полезного сигнала для каждого из K частотного канала обработки.Before considering the operation of the proposed automated multifunctional adaptive antenna array, we carry out a theoretical justification for the reception of a narrowband useful signal or part of a wideband useful signal for each of the K frequency processing channels.

Рассмотрим N-элементную антенную решетку с известной геометрией излучающего раскрыва, осуществляющую прием полезного сигнала с направления θ0, ϕ0 и подавление помех, приходящих с неизвестных направлений θl, ϕl, (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.Consider an N-element antenna array with known emitting aperture geometry, which receives a useful signal from the direction θ 0, ϕ 0 and suppresses noise coming from unknown directions θ l , ϕ l, (l = 1, ..., L). It is required to determine and implement a set of weighting coefficients in the channels of the adaptive antenna array, providing a maximum signal / (noise + noise) ratio at the output of the adaptive antenna array.

Запишем критерий максимума отношения сигнал / (помеха + шум):We write the criterion for the maximum signal / (noise + noise) ratio:

Figure 00000001
Figure 00000001

где Rss - ковариационная матрица полезного сигнала;where R ss is the covariance matrix of the useful signal;

Rnn - ковариационная матрица сигналов помех;R nn is the covariance matrix of interference signals;

W - вектор весовых коэффициентов;W is the vector of weights;

T,* - символы операций транспонирования и комплексного сопряжения соответственно.T, * - symbols of transpose and complex conjugation operations, respectively.

Оптимальная зависимость вектора весовых коэффициентов имеет вид [1]:The optimal dependence of the vector of weight coefficients has the form [1]:

Figure 00000002
Figure 00000002

где

Figure 00000003
- обратная ковариационная матрица помеховых сигналов;Where
Figure 00000003
- inverse covariance matrix of interfering signals;

S0nехр(-ik(xnsinθ0cosϕ0nsinθ0sinϕ0)) - управляющий вектор, обеспечивающий построение заданной диаграммы направленности (в заданном направлении θ0, ϕ0 с заданной формой главного максимума);S 0 = А n exp (-ik (x n sinθ 0 cosϕ 0 + for n sinθ 0 sinϕ 0 )) is a control vector that provides the construction of a given radiation pattern (in a given direction θ 0 , ϕ 0 with a given shape of the main maximum);

Аn - вектор амплитудно-фазового распределения токов в излучателях антенной решетки;And n is the vector of the amplitude-phase distribution of currents in the emitters of the antenna array;

k - волновое число;k is the wave number;

θ0, ϕ0 - углы направления прихода полезного сигнала;θ 0 , ϕ 0 are the angles of the direction of arrival of the useful signal;

хn, yn - координаты n-го элемента антенной решетки.x n , y n - coordinates of the nth element of the antenna array.

Ковариационная матрица помеховых сигналов при произвольном числе помеховых сигналов определяется соотношением вида:The covariance matrix of interfering signals with an arbitrary number of interfering signals is determined by a ratio of the form:

Figure 00000004
Figure 00000004

где σ2 - мощность тепловых шумов антенной решетки;where σ 2 is the thermal noise power of the antenna array;

Е - единичная матрица размерностью N×N;E is the identity matrix of dimension N × N;

ν - мощность помехового сигнала;ν is the power of the interfering signal;

Figure 00000005
- вектор-столбец, элементами которого являются комплексные сомножители, учитывающие фазовый набег на каждом элементе антенной решетки при приеме
Figure 00000006
-го (
Figure 00000007
) помехового сигнала.
Figure 00000005
- a column vector whose elements are complex factors that take into account the phase incursion at each element of the antenna array when receiving
Figure 00000006
th (
Figure 00000007
) interference signal.

Тогда обратная ковариационная матрица с использованием выражения (2) записывается так:Then the inverse covariance matrix using expression (2) is written as follows:

Figure 00000008
Figure 00000008

где Up=exp(-ik(xnsinθрcosϕрnsinθрsinϕр)) - вектор-столбец, элементами которого являются комплексные сомножители, учитывающие фазовый набег на каждом элементе антенной решетки при приеме р-го (р=1, …, L) помехового сигнала.where U p = exp (-ik (x n sinθ p cosϕ p + y n sinθ p sinϕ p )) is a column vector whose elements are complex factors that take into account the phase incursion at each element of the antenna array when receiving r (p = 1, ..., L) of the interfering signal.

В соотношении (4) известны все члены за исключением коэффициентов

Figure 00000009
, которые можно найти из выражения (3) и (4), учитывая условие:In relation (4), all terms are known except for the coefficients
Figure 00000009
which can be found from expressions (3) and (4), given the condition:

Figure 00000010
Figure 00000010

В частном случае одной помехи коэффициент

Figure 00000011
определяется в виде:In the particular case of a single interference coefficient
Figure 00000011
defined as:

Figure 00000012
Figure 00000012

а обратная ковариационная матрица помеховых сигналов после подстановки (5) в (4) определяется формулой:and the inverse covariance matrix of interfering signals after substituting (5) in (4) is determined by the formula:

Figure 00000013
Figure 00000013

Выражение для вектора весовых коэффициентов в этом случае имеет вид:The expression for the vector of weights in this case has the form:

Figure 00000014
Figure 00000014

После проведения математических преобразований выражения (7) с учетом соотношений для S0 и U1, 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.After carrying out mathematical transformations of expression (7), taking into account the relations for S 0 and U 1 , we obtain the analytical dependence of the vector of weight coefficients. The resulting vector of weighting coefficients allows you to phase the antenna array in the direction of arrival of the useful signal, to form the desired shape of the main maximum of the radiation pattern, as well as the "zeros" of the radiation pattern in the direction of the interfering signals.

В случае, когда полезный сигнал характеризуется не одной частотой, а спектром частот возникает необходимость формирования вектора весовых коэффициентов для всего частотного диапазона, что на практике невозможно. Поэтому предлагается для каждого k-го частотного канала обработки оптимально определять вектор весовых коэффициентов для k-ой частоты. Для остальных частот непрерывного спектра сигнала производить аппроксимацию вектора весовых коэффициентов различными функциями, например, кусочно-постоянной или кусочно-линейной (фиг. 4-6).In the case when the useful signal is characterized not by a single frequency, but by a frequency spectrum, it becomes necessary to form a vector of weighting coefficients for the entire frequency range, which is impossible in practice. Therefore, it is proposed for each k-th frequency channel of processing to optimally determine the vector of weighting coefficients for the k-th frequency. For the remaining frequencies of the continuous spectrum of the signal, approximate the vector of weights by various functions, for example, piecewise constant or piecewise linear (Fig. 4-6).

Таким образом, выражение (7) примет вид:Thus, the expression (7) will take the form:

Figure 00000015
Figure 00000015

где

Figure 00000016
- оптимальный вектор весовых коэффициентов для k-ой частоты;Where
Figure 00000016
- the optimal vector of weights for the k-th frequency;

Figure 00000017
- аппроксимирующая функция (фиг. 5-6).
Figure 00000017
- approximating function (Fig. 5-6).

Предлагаемая автоматизированная многофункциональная адаптивная антенная решетка функционирует следующим образом.The proposed automated multi-functional adaptive antenna array operates as follows.

Аддитивная смесь полезных сигналов, приходящих с различных направлений на различных частотах, шума и помеховых сигналов принимается N антенными элементами 1. N полосовых фильтров 2 разделяют принятую аддитивную смесь сигналов на K частотных диапазона (фиг. 4). Часть разделенной аддитивной смеси сигналов поступает на входы блоков 5 комплексного взвешивания сигналов. Аналогично вторая часть аддитивной сигналов подается на соответствующие информационные входы адаптивного процессора 4, а именно, на соответствующие информационные входы блоков 8 формирования вектора весовых коэффициентов, а в каждом из них на входы блока 11 формирования ковариационной матрицы помеховых сигналов.An additive mixture of useful signals coming from different directions at different frequencies, noise and interference signals is received by N antenna elements 1. N bandpass filters 2 divide the received additive mixture of signals into K frequency ranges (Fig. 4). Part of the divided additive signal mixture is fed to the inputs of the blocks 5 complex signal weighting. Similarly, the second part of the additive signals is fed to the corresponding information inputs of the adaptive processor 4, namely, to the corresponding information inputs of the weight vector generation blocks 8, and in each of them to the inputs of the interference covariance matrix generation block 11.

Рассмотрим подробнее функционирование адаптивного процессора 4. Аддитивная смесь сигналов, разделенная на K частотных диапазонов, поступает на входы соответствующего k-го блока 8 формирования вектора весовых коэффициентов, а в каждом из них на входы блока 11 формирования ковариационной матрицы помеховых сигналов, в котором в соответствии с приведенными соотношениями формируются элементы ковариационной матрицы помеховых сигналов для k-го частотного канала обработки. Сигналы, соответствующие элементам ковариационной матрицы помеховых сигналов, поступают на входы блока 12 обращения ковариационной матрицы помеховых сигналов. Далее сигналы от блока 12 обращения ковариационной матрицы помеховых сигналов поступают на первые входы блока 13 перемножения. На второй вход блока 13 перемножения поступает управляющий сигнал от блока 10 формирования управляющего вектора (S0nехр(-ik(xnsinθ0cosϕ0nsinθ0sinϕ0))), содержащий 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 10 формирования управляющего вектора по команде с пульта оператора 3. В блоке 13 перемножения формируются сигналы для управления соответствующими блоками 5 комплексного взвешивания сигналов. Формирование этих сигналов выполняется на основе правил умножения матриц, которые легко реализуются с использованием перемножителей и сумматоров низкочастотных сигналов. Выходные сигналы K блоков 8 формирования вектора весовых коэффициентов через замкнутые по команде с пульта оператора 3 ключи К2 являются выходными сигналами адаптивного процессора. Если по команде, поступающей с пульта оператора, замкнуты ключи К1, то выходные сигналы K блоков 8 формирования вектора весовых коэффициентов поступают на входы блока 9 аппроксимации вектора весовых коэффициентов, где производится формирование вектора весовых коэффициентов в соответствии с выражением (8). В результате на выходе адаптивного процессора создаются управляющие воздействия, поступающие на соответствующие управляющие входы блоков 5 комплексного взвешивания сигналов. Сигналы с выходов блоков 5 комплексного взвешивания сигналов поступают на входы соответствующих сумматоров по частотной составляющей 6. Выходы сумматоров по частотной составляющей 6 через замкнутые по команде, поступающей с пульта оператора 3, ключи К1 являются выходами устройства. В данном случае сигналы, поступающие на выход устройства, представляют собой принятые одновременно с различных направлений узкополосные сигналы. Через замкнутые по команде, поступающей с пульта оператора 3, ключи К2 сигналы с выходов сумматоров по частотной составляющей 6 поступают на общий сумматор 7, в котором производится суммирование сигналов по частоте. Выход общего сумматора 7 является выходом устройства. В данном случае сигнал, поступающий с выхода устройства, является принятый с определенного направления широкополосный сигнал. При необходимости объединения нескольких частотных диапазонов с пульта оператора 3 поступает команда на замыкание соответствующих ключей К1. Для остальных частотных каналов обработки по команде с пульта оператора 3 замыкаются соответствующие ключи К2. Ключи К1 и К2 по одной и той же команде замыкаются во всех элементах устройства. Таким образом, автоматизированная многофункциональная адаптивная антенная решетка может одновременно принимать сигналы, приходящие с различных направлений с различной шириной спектра от различных радиотехнических систем.Let us consider in more detail the functioning of the adaptive processor 4. An additive signal mixture, divided into K frequency ranges, is fed to the inputs of the corresponding kth block 8 of the formation of the vector of weight coefficients, and in each of them to the inputs of the block 11 of the formation of the covariance matrix of the interference signals, in which, in accordance With the given relations, the elements of the covariance matrix of the interfering signals for the k-th frequency channel of processing are formed. The signals corresponding to the elements of the covariance matrix of the interfering signals are fed to the inputs of the block 12 of the covariance matrix of the interfering signals. Next, the signals from the block 12 of the treatment of the covariance matrix of the interference signals are supplied to the first inputs of the block 13 multiplication. The second input of the multiplication unit 13 receives a control signal from the control vector generating unit 10 (S 0 = А n exp (-ik (x n sinθ 0 cosϕ 0 + y n sinθ 0 sinϕ 0 ))) containing information about the direction of arrival of the useful signal and the shape of the desired main beam maximum. The shape of the main maximum of the radiation pattern directly depends on the tasks performed by the antenna array, and is capable of changing in real time. The signal about the direction of arrival of the useful signal and the change in the amplitude-phase distribution of currents in the emitters of the antenna array, and therefore the shape of the main maximum of the radiation pattern, is issued by the control vector generation unit 10 upon command from the operator panel 3. In the multiplication block 13, signals are generated to control the corresponding blocks 5 integrated signal weighting. The formation of these signals is based on the rules of matrix multiplication, which are easily implemented using multipliers and adders of low-frequency signals. The output signals K of the blocks 8 of the formation of the vector of weights through the keys K2 closed by the command from the operator’s console 3 are the output signals of the adaptive processor. If the keys K1 are closed by a command from the operator’s console, then the output signals K of the blocks 8 for generating the vector of weight coefficients are fed to the inputs of the block 9 for approximating the vector of weight coefficients, where the formation of the vector of weight coefficients is performed in accordance with expression (8). As a result, at the output of the adaptive processor, control actions are generated that arrive at the corresponding control inputs of the integrated signal weighing units 5. The signals from the outputs of the blocks 5 complex signal weighing are fed to the inputs of the respective adders in the frequency component 6. The outputs of the adders in the frequency component 6 through closed by the command from the operator console 3, the keys K1 are the outputs of the device. In this case, the signals received at the output of the device are narrowband signals received simultaneously from different directions. Through the keys K2, closed by the command received from the operator’s control panel 3, the signals from the outputs of the adders with respect to the frequency component 6 are fed to the common adder 7, in which the signals are summed over the frequency. The output of the total adder 7 is the output of the device. In this case, the signal coming from the output of the device is a broadband signal received from a certain direction. If it is necessary to combine several frequency ranges from the operator panel 3, a command is issued to close the corresponding keys K1. For the remaining frequency processing channels, the corresponding keys K2 are closed by a command from the operator panel 3. The keys K1 and K2 by the same command are closed in all elements of the device. Thus, an automated multifunctional adaptive antenna array can simultaneously receive signals coming from different directions with different spectral widths from different radio systems.

Автоматизированная многофункциональная адаптивная антенная решетка может быть реализована на современной элементной базе. Выполнение введенных блоков не вызывает затруднений.Automated multifunctional adaptive antenna array can be implemented on a modern element base. The implementation of the entered blocks is straightforward.

Из сказанного следует, что предлагаемая автоматизированная многофункциональная адаптивная антенная решетка в зависимости от вида выполняемых задач, от которых зависит форма главного максимума диаграммы направленности, обеспечивает выделение полезного сигнала из принимаемой совокупности полезного и помеховых сигналов с неизвестными параметрами, позволяет принимать полезные сигналы, поступающие с различных направлений на различных частотах, оперативно изменять форму главного максимума диаграммы направленности. Автоматизированная многофункциональная адаптивная антенная решетка может быть реализована с использованием существующих радиоэлектронных средств и элементов.It follows from the foregoing that the proposed automated multifunctional adaptive antenna array, depending on the type of tasks performed, on which the shape of the main maximum of the radiation pattern depends, provides the selection of the useful signal from the received set of useful and interference signals with unknown parameters, and allows you to receive useful signals coming from various directions at different frequencies, quickly change the shape of the main maximum of the radiation pattern. Automated multifunctional adaptive antenna array can be implemented using existing electronic means and elements.

Таким образом, введение совокупности новых элементов позволяет получить технический результат, заключающегося в возможности антенной решетки одновременно формировать более одной диаграммы направленности на различных частотных диапазонах в различных направлениях и оперативно изменять формы главных максимумов диаграмм направленности, за счет изменения амплитудно-фазового распределения токов в излучателях антенной решетки в сложной сигнально-помеховой обстановке. Это позволяет одновременно использовать одну и ту же антенную решетку для различных целей, например, для радиосвязи или для радиолокации, или для радионавигации и т.д., что делает ее универсальной для различных систем.Thus, the introduction of a totality of new elements allows us to obtain a technical result consisting in the possibility of an antenna array to simultaneously generate more than one radiation pattern at different frequency ranges in different directions and to quickly change the shapes of the main maxima of radiation patterns due to changes in the amplitude-phase distribution of currents in the antenna emitters gratings in a complex signal-noise environment. This allows you to simultaneously use the same antenna array for various purposes, for example, for radio communications or for radar, or for radio navigation, etc., which makes it universal for various systems.

ЛитератураLiterature

1. Монзинго Р.А., Миллер Т.У. Адаптивные антенные решетки: Введение в теорию: Пер. с англ. - М.: Радио и связь, 1986. - С. 56.1. Monzingo R.A., Miller T.U. Adaptive Antenna Arrays: Introduction to Theory: Per. from English - M .: Radio and communications, 1986. - S. 56.

2. АС СССР, №1506569, 1987 г.2. AS of the USSR, No. 1506569, 1987

3. АС СССР, №1548820, 1990 г.3. AS of the USSR, No. 1548820, 1990

4. RU, №2466482, 2012 г.4. RU, No. 2466482, 2012

5. RU, №2579996, 2016 г.5. RU, No. 2579996, 2016.

Claims (1)

Автоматизированная многофункциональная адаптивная антенная решетка, содержащая N антенных элементов, N блоков комплексного взвешивания сигналов, общий сумматор, адаптивный процессор, состоящий из блока формирования вектора весовых коэффициентов, в состав которого входят блок формирования управляющего вектора, блок формирования ковариационной матрицы помеховых сигналов, блок обращения ковариационной матрицы помеховых сигналов, блок перемножения, отличающаяся тем, что дополнительно введены N полосовых фильтров, пульт оператора, K сумматоров по частотной составляющей, а также K ключей К1 и K ключей К2, количество блоков комплексного взвешивания сигналов увеличено в K раз, в адаптивный процессор дополнительно введены K-1 блоков формирования вектора весовых коэффициентов, блок аппроксимации вектора весовых коэффициентов, K ключей К1 и K ключей К2, причем выходы N антенных элементов через N полосовых фильтров подключены к соответствующим информационным входам N×K блоков комплексного взвешивания сигналов, а также к информационным входам блока формирования ковариационной матрицы помеховых сигналов каждого из K блоков формирования вектора весовых коэффициентов адаптивного процессора, управляющие выходы пульта оператора подключены к блоку формирования управляющего вектора каждого из K блоков формирования вектора весовых коэффициентов адаптивного процессора, выходы блока формирования ковариационной матрицы помеховых сигналов подключены к соответствующим входам блока обращения ковариационной матрицы помеховых сигналов, выходы которого подключены к первым входам блока перемножения, второй вход блока перемножения подключен к выходу блока формирования управляющего вектора, выходы каждого из K блока перемножения, являющиеся выходами K блоков формирования вектора весовых коэффициентов, через K ключей К1 подключены к входам блока аппроксимации вектора весовых коэффициентов, выход которого является управляющим выходом адаптивного процессора, подключенным к соответствующим управляющим входам N×K блоков комплексного взвешивания сигналов, а через K ключей К2 подключены к соответствующим управляющим входам N×K блоков комплексного взвешивания сигналов, выходы N×K блоков комплексного взвешивания сигналов подключены к соответствующим K сумматорам по частотной составляющей, выходы K сумматоров по частотной составляющей через K ключей К1 подключены к общему сумматору, выход которого является выходом устройства, а через K ключей К2 - к выходам устройства.An automated multifunctional adaptive antenna array containing N antenna elements, N blocks of complex signal weighting, a common adder, an adaptive processor, consisting of a weight vector vector generating unit, which includes a control vector generating unit, a covariance matrix generating unit for interfering signals, a covariance reversing unit interference signal matrices, a multiplication unit, characterized in that N band-pass filters, an operator console, K sum frequency components, as well as K keys K1 and K keys K2, the number of blocks of complex signal weighting is increased K times, the adaptive processor has additionally introduced K-1 blocks for generating vector weights, an approximation block for vector weights, K keys K1 and K K2 keys, and the outputs of N antenna elements through N bandpass filters are connected to the corresponding information inputs of N × K blocks of complex signal weighing, as well as to the information inputs of the covariance matrix forming the interfering signals of each of K adaptive processor weight coefficient vector generation blocks, the control panel operator outputs are connected to the control vector control unit of each adaptive processor weight vector K blocks, the covariance matrix generation unit of the interference signals are connected to the corresponding inputs of the covariance matrix reversing unit interfering signals, the outputs of which are connected to the first inputs of the multiplication block, the second input of the block the knives are connected to the output of the control vector forming unit, the outputs of each of the K multiplication units, which are the outputs of the K weight vector forming units, are connected via K keys K1 to the inputs of the approximation unit of the weight vector, the output of which is the control output of the adaptive processor connected to the corresponding control inputs of N × K blocks of complex signal weighting, and through K keys K2 are connected to the corresponding control inputs of N × K blocks of complex weighting s signals, the outputs of N × K blocks of complex signal weighting are connected to the corresponding K adders in the frequency component, the outputs of K adders in the frequency component through K keys K1 are connected to a common adder, the output of which is the output of the device, and through K keys K2 to the outputs of the device.
RU2018106256A 2018-02-20 2018-02-20 Automated multifunctional adaptive antenna array RU2707985C2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2018106256A RU2707985C2 (en) 2018-02-20 2018-02-20 Automated multifunctional adaptive antenna array

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2018106256A RU2707985C2 (en) 2018-02-20 2018-02-20 Automated multifunctional adaptive antenna array

Publications (3)

Publication Number Publication Date
RU2018106256A RU2018106256A (en) 2019-08-20
RU2018106256A3 RU2018106256A3 (en) 2019-10-02
RU2707985C2 true RU2707985C2 (en) 2019-12-03

Family

ID=67640808

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2018106256A RU2707985C2 (en) 2018-02-20 2018-02-20 Automated multifunctional adaptive antenna array

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2707985C2 (en)

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2014680C1 (en) * 1991-03-05 1994-06-15 Военная академия связи Adaptive array
US7539273B2 (en) * 2002-08-29 2009-05-26 Bae Systems Information And Electronic Systems Integration Inc. Method for separating interfering signals and computing arrival angles
US8115678B1 (en) * 2008-07-03 2012-02-14 Raytheon Company Generating an array correlation matrix using a single receiver system
RU2463722C2 (en) * 2007-03-02 2012-10-10 Квэлкомм Инкорпорейтед Using set of filters in adaptive channel repeater using adaptive antenna arrays
RU2579996C2 (en) * 2014-01-16 2016-04-10 Военная академия Ракетных войск стратегического назначения имени Петра Великого МО РФ Multifunctional adaptive antenna array
RU2679486C1 (en) * 2018-02-19 2019-02-11 Акционерное общество научно-внедренческое предприятие "ПРОТЕК" Adaptive antenna system for panoramic radio receiver

Patent Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2014680C1 (en) * 1991-03-05 1994-06-15 Военная академия связи Adaptive array
US7539273B2 (en) * 2002-08-29 2009-05-26 Bae Systems Information And Electronic Systems Integration Inc. Method for separating interfering signals and computing arrival angles
RU2463722C2 (en) * 2007-03-02 2012-10-10 Квэлкомм Инкорпорейтед Using set of filters in adaptive channel repeater using adaptive antenna arrays
RU2464707C2 (en) * 2007-03-02 2012-10-20 Квэлкомм Инкорпорейтед Using adaptive antenna array together with channel follower to improve signal quality
US8115678B1 (en) * 2008-07-03 2012-02-14 Raytheon Company Generating an array correlation matrix using a single receiver system
RU2579996C2 (en) * 2014-01-16 2016-04-10 Военная академия Ракетных войск стратегического назначения имени Петра Великого МО РФ Multifunctional adaptive antenna array
RU2679486C1 (en) * 2018-02-19 2019-02-11 Акционерное общество научно-внедренческое предприятие "ПРОТЕК" Adaptive antenna system for panoramic radio receiver

Also Published As

Publication number Publication date
RU2018106256A (en) 2019-08-20
RU2018106256A3 (en) 2019-10-02

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Baird et al. Adaptive sidelobe nulling using digitally controlled phase-shifters
Chan et al. Uniform concentric circular arrays with frequency-invariant characteristics—theory, design, adaptive beamforming and DOA estimation
Widrow et al. A comparison of adaptive algorithms based on the methods of steepest descent and random search
RU2141706C1 (en) Method and device for adaptive spatial filtering of signals
RU2466482C1 (en) Adaptive antenna array
RU2683140C1 (en) Adaptive antenna array
RU2495447C2 (en) Beam forming method
Chen et al. Adaptive beamforming using the constrained Kalman filter
Zhao et al. A division-free and variable-regularized LMS-based generalized sidelobe canceller for adaptive beamforming and its efficient hardware realization
RU2579996C2 (en) Multifunctional adaptive antenna array
Liang et al. Cramér-Rao bound analysis of underdetermined wideband DOA estimation under the subband model via frequency decomposition
Paaso et al. DoA estimation through modified unitary MUSIC algorithm for CRLH leaky-wave antennas
Yan et al. Convex optimization based time-domain broadband beamforming with sidelobe control
Sandler Some equivalences between equally and unequally spaced arrays
Ward et al. Application of a systolic array to adaptive beamforming
RU2707985C2 (en) Automated multifunctional adaptive antenna array
Wei et al. Window function design for asymmetric beampattern synthesis and applications
Zhang et al. Low-complexity adaptive broadband beamforming based on the non-uniform decomposition method
CN108828536B (en) Broadband emission digital beam forming interference design method based on second-order cone programming
Kunzler et al. Wideband radio frequency interference cancellation for high-sensitivity phased array receivers with true time delays and truncated hadamard projection
Singh et al. Criterion for the H∞ suppression of overflow oscillations in fixed point digital filters employing saturation nonlinearities and external interference
RU2633029C1 (en) Transmitting adaptive antenna array
Brennan et al. Efficient simulation of external noise incident on arrays
RU2099838C1 (en) Adaptive antenna array
RU2777692C1 (en) Method for processing signals in an adaptive antenna array when receiving correlated signals and interference

Legal Events

Date Code Title Description
MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20200221