RU2014680C1

RU2014680C1 - Adaptive array

Info

Publication number: RU2014680C1
Authority: RU
Inventors: Н.А. Гусев; Е.И. Глушанков; А.Н. Колесников; В.Р. Мисюра; В.В. Ушаков
Original assignee: Военная академия связи
Priority date: 1991-03-05
Filing date: 1991-03-05
Publication date: 1994-06-15

Abstract

FIELD: radio engineering systems. SUBSTANCE: adaptive array has aerial elements 1, phase inverters 2, complex weight multipliers 3, first and second adders 4, 6, adaptation unit 5, functional converter 7, multiplier 8. EFFECT: improved efficiency of suppression of noises. 1 dwg

Description

Изобретение относится к радиотехнике, а именно к антенным устройствам, и может быть применено для подавления помех при приеме в радиотехнических системах и комплексах. The invention relates to radio engineering, namely to antenna devices, and can be used to suppress interference during reception in radio engineering systems and complexes.

Известны адаптивные антенные решетки, предназначенные для подавления помех и сигналов, принимаемых по боковым лепесткам диаграммы направленности. Им присущ недостаток - искажение полезного сигнала во время и после адаптации, а также частичное его подавление. Адаптивные антенные решетки, исключающие возможность такого ухудшения характеристик, использующие методы ограничения по углу, можно разделить на три группы. Adaptive antenna arrays are known for suppressing interference and signals received along the side lobes of the radiation pattern. They have a disadvantage - distortion of the useful signal during and after adaptation, as well as its partial suppression. Adaptive antenna arrays, eliminating the possibility of such performance degradation, using angle-limiting methods, can be divided into three groups.

К первой группе относятся решетки, в которых ограничения на форму диаграммы направленности вводятся с использованием пилот-сигналов. Известные устройства требуют большого динамического диапазона элементов, а также фильтрации пилот-сигналов на выходе антенной решетки, что является существенными недостатками устройства данной группы. The first group includes gratings in which restrictions on the shape of the radiation pattern are introduced using pilot signals. Known devices require a large dynamic range of elements, as well as filtering pilot signals at the output of the antenna array, which are significant disadvantages of the device of this group.

Ко второй группе относятся адаптивные антенные решетки, использующие для защиты главного лепестка диаграммы направленности "предварительную" (до адаптивного процессора) пространственную фильтрацию". В устройствах данной группы с помощью фазовращателей формируются два управляемых луча, что может оказаться дорогостоящим. Кроме того, точность фазовращателей, используемых для управления диаграммой, влияет на эффективность вводимых ограничений. The second group includes adaptive antenna arrays that use “preliminary” (up to the adaptive processor) spatial filtering to protect the main lobe of the radiation pattern. ”In the devices of this group, two controlled beams are formed using phase shifters, which can be expensive. In addition, the accuracy of phase shifters, used to manage the chart, affects the effectiveness of the restrictions.

К третьей группе относятся адаптивные антенные решетки, использующие ограничения, вводимые непосредственно в контур управления с помощью пространственно-матричного фильтра. Подобные устройства, как правило, очень сложны (из-за сложности реализации пространственного матричного фильтра) и требует точных фазовращателей для реализации ограничений. The third group includes adaptive antenna arrays using restrictions introduced directly into the control loop using a spatial matrix filter. Such devices are usually very complex (due to the complexity of implementing a spatial matrix filter) and require accurate phase shifters to implement restrictions.

Наиболее близким аналогом изобретения, выбранным в качестве прототипа, является адаптивная антенная система. The closest analogue of the invention, selected as a prototype, is an adaptive antenna system.

В этом устройстве остронаправленная антенна подключена к основному сумматору, несколько слабонаправленных антенн подключены к нему через весовые умножители, управляемые схемой адаптации, и дополнительный сумматор, обеспечивая адаптацию к помеховой обстановке. КПД прототипа стабилизируется за счет изменения коэффициентов передачи основного сумматора в зависимости от величины квадрата модуля весового вектора, что обеспечивается блоками измерителя квадрата модуля весового вектора и функциональным преобразователем. In this device, a directional antenna is connected to the main adder, several weakly directional antennas are connected to it through weight multipliers controlled by the adaptation circuit and an additional adder, providing adaptation to the interference environment. The efficiency of the prototype is stabilized by changing the transmission coefficients of the main adder depending on the size of the squared module of the weight vector, which is provided by the blocks of the square meter of the module of the weight vector and a functional converter.

Недостатком прототипа является значительное уменьшение КПД системы в случае увеличения значений весовых коэффициентов выше некоторого порога, при котором коэффициент передачи второго входа основного сумматора К₂ > 1. При этом в прототипе коэффициент передачи первого входа основного сумматора К₁, определяющий коэффициент усиления полезного сигнала, уменьшается. Это приводит к изменению усиления антенной системы в целом и, как следствие, к снижению полезного сигнала.The disadvantage of the prototype is a significant decrease in the efficiency of the system in the case of an increase in the weight coefficients above a certain threshold at which the transfer coefficient of the second input of the main adder K ₂ > 1. In this case, in the prototype, the transfer coefficient of the first input of the main adder K ₁ , which determines the gain of the useful signal, decreases . This leads to a change in the gain of the antenna system as a whole and, as a result, to a decrease in the useful signal.

Целью изобретения является повышение КПД системы при любой помеховой обстановке за счет стабилизации усиления сигнала при увеличении значений весовых коэффициентов. The aim of the invention is to increase the efficiency of the system in any interference environment by stabilizing the signal gain with increasing values of the weight coefficients.

Это достигается тем, что в адаптивной антенной системе второй сумматор выполнен N-входовым (по числу антенных элементов), дополнительно введены умножитель и N фазовращателей, соответствующие входы и выходы которых соединены соответственно с выходами антенных элементов и входами весовых умножителей, вторые входы которых соединены с соответствующими входами второго сумматора, выход которого соединен с входом функционального преобразователя, выход которого соединен с первым входом умножителя, второй вход которого подключен к выходу первого сумматора, при этом выход умножителя соединен с вторым входом блока адаптации, являющимся выходом устройства. This is achieved by the fact that in the adaptive antenna system the second adder is made N-input (according to the number of antenna elements), an additional multiplier and N phase shifters are introduced, the corresponding inputs and outputs of which are connected respectively to the outputs of the antenna elements and the inputs of the weight multipliers, the second inputs of which are connected to the corresponding inputs of the second adder, the output of which is connected to the input of the functional Converter, the output of which is connected to the first input of the multiplier, the second input of which is connected to the output of the first th adder, while the output of the multiplier is connected to the second input of the adaptation unit, which is the output of the device.

Сопоставительный анализ с прототипом позволяет сделать вывод, что заявляемая адаптивная антенная решетка отличается тем, что в схеме второй сумматор выполнен N-входовым (по числу антенных элементов), дополнительно введены умножитель и фазовращатели, связанные указанным образом с остальными элементами схемы, поэтому принципиально изменился алгоритм повышения КПД устройства. Таким образом заявляемое техническое решение соответствует критерию "новизна". Comparative analysis with the prototype allows us to conclude that the inventive adaptive antenna array is different in that the second adder is made N-input in the circuit (by the number of antenna elements), an additional multiplier and phase shifters are added, connected in the specified manner with the other elements of the circuit, therefore the algorithm has fundamentally changed increase the efficiency of the device. Thus, the claimed technical solution meets the criterion of "novelty."

Сравнение заявляемого решения с другими техническими решениями показывает, что аналогичные фазовращатели, сумматоры, умножители широко известны. Однако при их введении в указанной связи с остальными элементами схемы в предлагаемом устройстве появляется возможность повысить КПД решетки. Это выражается в сохранении адаптивной антенной решеткой неизменного усиления в направлении полезного сигнала, независимо от набора весовых коэффициентов, формируемых блоком адаптации, т.е. независимо от помеховой обстановки, что позволяет сделать вывод о соответствии технического решения критерию "существенные отличия". A comparison of the proposed solutions with other technical solutions shows that similar phase shifters, adders, multipliers are widely known. However, when they are introduced in this connection with the other elements of the circuit in the proposed device, it becomes possible to increase the efficiency of the lattice. This is expressed in the fact that the adaptive antenna array maintains a constant gain in the direction of the useful signal, regardless of the set of weight coefficients generated by the adaptation unit, i.e. regardless of the interference environment, which allows us to conclude that the technical solution meets the criterion of "significant differences".

На чертеже показана функциональная схема предлагаемой адаптивной антенной решетки. The drawing shows a functional diagram of the proposed adaptive antenna array.

Решетка состоит из антенных элементов 1, фазовращателей 2, комплексных весовых умножителей 3, первого сумматора 4, блока 5 адаптации, второго сумматора 6, функционального преобразователя 7 и умножителя 8. Причем N антенных элементов 1 через N фазовращателей соединены с первыми входами соответствующих комплексных весовых умножителей 3 и блока адаптации 5, второй вход блока адаптации 5 является выходом устройства, выходы блока адаптации 5 соединены со вторыми входами комплексных весовых умножителей 3 и с входами второго сумматора 6, а выходы комплексных весовых умножителей 3 - с входами первого сумматора 4, выход которого подключен к первому входу умножителя 8, выход второго сумматора 6 через функциональный преобразователь 7 подключен к второму входу умножителя 8, выход которого соединен с вторым входом блока адаптации. The array consists of antenna elements 1, phase shifters 2, complex weight multipliers 3, first adder 4, adaptation block 5, second adder 6, functional converter 7 and multiplier 8. Moreover, N antenna elements 1 are connected to the first inputs of the respective complex weight multipliers via N phase shifters 3 and the adaptation unit 5, the second input of the adaptation unit 5 is the output of the device, the outputs of the adaptation unit 5 are connected to the second inputs of the complex weight multipliers 3 and to the inputs of the second adder 6, and the outputs of the set ksnyh weight multipliers 3 - to the inputs of the first adder 4, the output of which is connected to a first input of multiplier 8, the second output of the adder 6 via a function generator 7 is connected to a second input of multiplier 8, the output of which is connected to the second input of the adaptation unit.

Предлагаемое устройство работает следующим образом. The proposed device operates as follows.

Сигналы, принимаемые антенными элементами 1, поступают на фазовращатели 2, которые "наводят" главный луч диаграммы направленности на полезный сигнал. На выходах фазовращателей сдвиг фаз полезного сигнала между каналами приема равен нулю. Таким образом сигналы на выходах фазовращателей X_m, m = 1,2, . ..,N, где N - число антенных элементов (каналов), представляют собой смесь полезного сигнала X_dm, m = =1,2,...,N, помеховых сигналов X_im, m = 1,2,...,N и собственных шумов каналов X_mn.The signals received by the antenna elements 1 are fed to the phase shifters 2, which “direct” the main beam of the radiation pattern to the useful signal. At the outputs of the phase shifters, the phase shift of the useful signal between the reception channels is zero. Thus, the signals at the outputs of the phase shifters X _m , m = 1,2,. .., N, where N is the number of antenna elements (channels), are a mixture of the useful signal X _dm , m = 1,2, ..., N, interference signals X _im , m = 1,2, ... , N and the intrinsic noise of the channels X _mn .

X_m = X_dm + X_im +X_mn, m = 1,2,...,N. Пренебрегая собственными шумами, и учитывая, что при использовании идентичных антенных элементов 1 X_d1 = X_d2 = ...X_dN = X_d, сигналы на выходах фазовращателей можно записать
X_m = X_d + X_im, m = 1,2,...,N Пройдя через комплексные весовые умножители 3, эти сигналы умножаются на весовые коэффициенты W_m, m = 1,2,...,N, формируемые блоком 5 адаптации. На выходе сумматора 5 образуется сигнал Y′=

X_dW_m+

X_imW_m На выходе второго сумматора 6 формируется сигнал, равный сумме весовых коэффициентов v′=

W_m Пройдя через функциональный преобразователь 7, этот сигнал преобразуется в сигнал v=

который перемножается в умножителе 8 с выходным сигналом сумматора, образуя выходной сигнал устройства Y=X

W_m·

+

X_imW_m·

Блок 5 адаптации работает таким образом, чтобы свести к нулю второе слагаемое выходного сигнала, т.е. сигналы помех. Следовательно, независимо от набора весовых коэффициентов W_m, m = 1,2,...,N, вырабатываемых блоком 5 адаптации, полезный сигнал на выходе устройства будет без изменений и равен X_α . Таким образом, предлагаемая адаптивная антенная решетка по сравнению с прототипом позволяет исключить возможность искажения полезного сигнала при любой помеховой обстановке.X _m = X _dm + X _im + X _mn , m = 1,2, ..., N. Neglecting the intrinsic noise, and considering that when using identical antenna elements 1 X _d1 = X _d2 = ... X _dN = X _d , the signals at the outputs of the phase shifters can be written
X _m = X _d + X _im , m = 1,2, ..., N Having passed through complex weight multipliers 3, these signals are multiplied by weighting factors W _m , m = 1,2, ..., N, formed by the block 5 adaptations. The output of the adder 5 produces a signal Y ′ =

X _d W _m +

X _im W _m At the output of the second adder 6, a signal is generated equal to the sum of the weighting coefficients v ′ =

W _m Having passed through functional converter 7, this signal is converted into a signal v =

which is multiplied in the multiplier 8 with the output signal of the adder, forming the output signal of the device Y = X

W _m

+

X _im W _m

The adaptation unit 5 operates in such a way as to reduce to zero the second term of the output signal, i.e. interference signals. Therefore, regardless of the set of weighting factors W _m , m = 1,2, ..., N generated by the adaptation unit 5, the useful signal at the output of the device will be unchanged and equal to X _α . Thus, the proposed adaptive antenna array in comparison with the prototype eliminates the possibility of distortion of the useful signal in any interference environment.

Claims

ADAPTIVE ANTENNA ARRAY, containing N antenna elements, a functional converter, the first and second adders, an adaptation unit, N weight multipliers, the outputs of which are connected to the corresponding inputs of the first adder, and the first and second inputs of which are connected respectively to the corresponding inputs and outputs of the adaptation unit, the second the input of which is the output of the grating, characterized in that, in order to increase the efficiency in any noise environment, the second adder is made N-input, a multiplier and N phase shifters are introduced, with the corresponding inputs and outputs of which are connected respectively to the inputs of the antenna elements and inputs of the weight multipliers, the second inputs of which are connected to the corresponding inputs of the second adder, the output of which is connected to the input of the functional converter, the output of which is connected to the first input of the multiplier, the second input of which is connected to the output of the first adder while the output of the multiplier is connected to the second input of the adaptation unit.