RU2249890C1 - Method for shaping lobed directivity pattern of antenna array - Google Patents
Method for shaping lobed directivity pattern of antenna array Download PDFInfo
- Publication number
- RU2249890C1 RU2249890C1 RU2003123689/09A RU2003123689A RU2249890C1 RU 2249890 C1 RU2249890 C1 RU 2249890C1 RU 2003123689/09 A RU2003123689/09 A RU 2003123689/09A RU 2003123689 A RU2003123689 A RU 2003123689A RU 2249890 C1 RU2249890 C1 RU 2249890C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- hermitian
- directivity pattern
- lobes
- hermitean
- lobed
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Variable-Direction Aerials And Aerial Arrays (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к антенной технике и может быть использовано для формирования многолепестковых диаграмм направленности (ДН) в антенных решетках (АР) с амплитудно-фазовым (комплексным) управлением.The invention relates to antenna technology and can be used to form multilobe radiation patterns (AF) in antenna arrays (AR) with amplitude-phase (integrated) control.
Известен способ формирования ДН антенной решетки с максимальным коэффициентом направленного действия (КНД) [1], основанный на взвешивании сигналов, принятых каждым излучателем, и последующем их суммировании, при котором комплексные весовые коэффициенты (КВК) находят как главный вектор пучка эрмитовых форм, соответствующий наибольшему характеристическому числу пучка, причем при определении главного вектора пучка используют информацию о направлении ориентации максимума диаграммы направленности, а в качестве первой и второй эрмитовых форм пучка используют соответственно квадрат модуля ДН в направлении максимума луча и среднее значение ДН по мощности.There is a method of forming the antenna array bottom with the maximum directional coefficient (KND) [1], based on the weighting of the signals received by each emitter, and their subsequent summation, in which the complex weighting coefficients (KVK) are found as the main beam vector of Hermitian forms corresponding to the largest the characteristic number of the beam, and in determining the main vector of the beam, information is used on the direction of orientation of the maximum of the radiation pattern, and as the first and second Hermitian pM beam used respectively square NAM module into the beam direction and the maximum average power value DV.
Существо известного способа заключается в представлении КНД (здесь рассматривается двухмерный вариант)The essence of the known method lies in the presentation of KND (here we consider a two-dimensional version)
в виде отношения эрмитовых формin the form of a relation of Hermitian forms
В(1) и (2) приняты следующие обозначения:In (1) and (2) the following notation is accepted:
φ0 - направление ориентации максимума ДН;φ 0 - direction of orientation of the maximum of the pattern;
|J〉 - вектор-столбец КВК с элементами Jn, где n - номер излучателя (n=1,2,...N);| J〉 is the KVK column vector with elements J n , where n is the emitter number (n = 1,2, ... N);
[А1] и [B1] - эрмитовы матрицы порядка N с элементами[A1] and [B1] are Hermitian matrices of order N with elements
f(φ) - ненормированная амплитудная ДН системы, возбужденной током |J〉, которая может быть представлена в видеf (φ) is the non-normalized amplitude DN of the system excited by the current | J〉, which can be represented as
Через (f) обозначена N-мерная вектор-строка ненормированных парциальных диаграмм fn(φ) решетки, n-й излучатель которой возбужден током единичной амплитуды.Denote by (f) the N-dimensional row vector of non-normalized partial diagrams f n (φ) of the lattice, the nth emitter of which is excited by a current of unit amplitude.
Поскольку матрицы [А1] и [B1] эрмитовы, то D1(J) является отношением эрмитовых форм. Входящие в (2) эрмитовы формы определяют пучок формSince the matrices [A1] and [B1] are Hermitian, D1 (J) is the ratio of Hermitian forms. The Hermitian forms included in (2) define a bunch of forms
который является регулярным, так как форма |J〉*[B1]·|J〉 положительно определена, что обусловлено ее физическим смыслом.which is regular, since the form | J〉 * [B1] · | J〉 is positive definite, due to its physical meaning.
Максимум (2) равен наибольшему характеристическому числу пучка форм (6), причем этот максимум достигается только на соответствующем этому числу главном векторе пучка [2].The maximum (2) is equal to the largest characteristic number of the beam of forms (6), and this maximum is achieved only on the main beam vector corresponding to this number [2].
В соответствии с [2] максимальным собственным значением пучка эрмитовых форм (6) является максимальное собственное значение матрицы [D1], определяемой какIn accordance with [2], the maximum eigenvalue of the hermitian form pencil (6) is the maximum eigenvalue of the matrix [D1], defined as
а собственный вектор, соответствующий максимальному собственному значению матрицы [D1] и будет решением задачи оптимизации (1). При определении главного вектора пучка используют информацию о направлении ориентации луча диаграммы направленности, а в качестве первой и второй эрмитовых форм пучка используют квадрат модуля ДН в направлении максимума луча и среднее значение ДН по мощности.and the eigenvector corresponding to the maximum eigenvalue of the matrix [D1] will be the solution to the optimization problem (1). When determining the main beam vector, information is used on the direction of orientation of the beam, and the square of the module of the beam in the direction of the maximum of the beam and the average value of the beam in power are used as the first and second Hermitian beam shapes.
Известный способ обеспечивает максимизацию КНД решетки с произвольным расположением элементов (линейных, дуговых, кольцевых, плоских и т.д.).The known method provides the maximization of the KND of the lattice with an arbitrary arrangement of elements (linear, arc, ring, flat, etc.).
Недостатком известного способа максимизации КНД является то, что он обеспечивает возможность формирования лишь однолучевых ДН. В ряде случаев на практике антенна должна обеспечивать обслуживание не одного направления, а двух-трех либо даже большего числа направлений, положение которых может изменяться. Требуемый КНД антенны в этих направлениях в общем случае может быть различным.The disadvantage of this method of maximizing KND is that it provides the possibility of forming only single-beam patterns. In some cases, in practice, the antenna should provide service not in one direction, but in two or three or even more directions, the position of which can vary. The required antenna gain in these directions can generally be different.
Предлагаемый способ направлен на устранение упомянутого недостатка известного способа. Структурная схема кольцевой антенной решетки, функционирующей по предлагаемому способу, представлена на фиг.1. На фиг.2 и 3 представлены сформированные на базе предлагаемого метода диаграммы направленности с различным числом лепестков и разными весовыми коэффициентами.The proposed method is aimed at eliminating the aforementioned disadvantage of the known method. The structural diagram of an annular antenna array operating by the proposed method is presented in figure 1. Figure 2 and 3 presents the radiation patterns formed on the basis of the proposed method with a different number of petals and different weights.
Рассмотрим существо предлагаемого способа. Как и в прототипе, сигналы, принятые каждым излучателем, взвешивают с помощью КВК, после чего их суммируют, причем комплексные весовые коэффициенты находят как главный вектор пучка эрмитовых форм, соответствующий наибольшему характеристическому числу пучка, а в качестве второй эрмитовой формы пучка выбирают среднее значение диаграммы направленности по мощности. Однако в отличие от прототипа при определении главного вектора пучка эрмитовых форм используют информацию о направлениях ориентации основных лепестков (“лучей”) диаграммы направленности и их относительных уровнях. При этом в качестве первой эрмитовой формы пучка выбирают квадрат модуля взвешенной суммы значений диаграммы направленности в направлениях формируемых лепестков.Consider the essence of the proposed method. As in the prototype, the signals received by each emitter are weighed with the aid of a KVK, and then they are summed up, and the complex weighting coefficients are found as the main vector of the beam of Hermitian forms corresponding to the largest characteristic number of the beam, and the average value of the diagram is chosen as the second Hermitian shape of the beam focus on power. However, unlike the prototype, in determining the main vector of a hermitic beam, they use information about the orientation directions of the main lobes (“rays”) of the radiation pattern and their relative levels. In this case, as the first Hermitian form of the beam, the square of the module of the weighted sum of radiation pattern values in the directions of the formed petals is selected.
Проведенный сравнительный анализ заявленного способа и прототипа показывает, что заявляемый и известный способы отличаются режимом выполнения операции взвешивания, так как при определении главного вектора пучка эрмитовых форм используют информацию о направлениях ориентации лепестков диаграммы направленности и их относительных уровнях, а в качестве первой эрмитовой формы пучка выбирают квадрат модуля взвешенной суммы значений диаграммы направленности в направлениях формируемых лепестков.A comparative analysis of the claimed method and prototype shows that the claimed and known methods differ in the mode of performing the weighing operation, since when determining the main vector of a beam of Hermitian forms, information is used on the orientation directions of the lobes of the radiation pattern and their relative levels, and the first Hermitian form of the beam is selected the module square of the weighted sum of radiation pattern values in the directions of the formed lobes.
Рассмотрим предлагаемый способ формирования многолепестковых диаграмм направленности на примере N-элементной кольцевой антенной решетки радиуса R (фиг.1), в каждом канале которой имеется устройство комплексного взвешивания Jn (n=1,2,...N). Выходы всех устройств комплексного взвешивания соединены с входами сумматора, на выходе которого формируется диаграмма направленности f(φ).Consider the proposed method of forming multilobe radiation patterns using the example of an N-element annular antenna array of radius R (Fig. 1), in each channel of which there is a complex weighing device J n (n = 1,2, ... N). The outputs of all complex weighing devices are connected to the inputs of the adder, the output of which is formed by the radiation pattern f (φ).
Для формирования в диаграмме направленности в направлениях φs (s=1,2,...S) “лучей” с относительной амплитудой ws будем искать N-мерный вектор-столбец комплексных амплитуд токов в излучателях, максимизирующий следующий энергетический функционалTo form “rays” with relative amplitude w s in the radiation pattern in the directions φ s (s = 1,2, ... S), we will look for an N-dimensional column vector complex amplitudes of currents in emitters, maximizing the following energy functional
где fS - взвешенная сумма значений ДН f(φ) в S направленияхwhere fS is the weighted sum of the values of DN f (φ) in S directions
С учетом (5) взвешенная сумма значений ДН в S направлениях может быть представлена в следующем виде:Taking into account (5), the weighted sum of the values of ND in S directions can be represented in the following form:
Здесь (fs) - N-мерная вектор-строка с элементамиHere (fs) is an N-dimensional row vector with elements
При этом квадрат модуля взвешенной суммы значений ДН в S направлениях может быть записан в следующем виде:In this case, the square of the module of the weighted sum of the values of the ND in S directions can be written in the following form:
Здесь * - знак комплексного сопряжения скалярной величины и эрмитова сопряжения матрицы; через [А] обозначена квадратная эрмитова матрица N-го порядка с элементамиHere * is the sign of the complex conjugation of the scalar quantity and the Hermitian conjugation of the matrix; [A] denotes a square Hermitian matrix of the Nth order with elements
Аналогично можно записать и для знаменателя (8)The same can be written for the denominator (8)
где [В] - квадратная эрмитова матрица N-го порядка с элементамиwhere [B] is the Nth order square Hermitian matrix with elements
В итоге оптимизируемый функционал (8) может быть приведен к видуAs a result, the optimized functional (8) can be reduced to
Поскольку матрицы [А] и [B] эрмитовы, то K(J) является отношением эрмитовых форм. Входящие в (16) эрмитовы формы определяют пучок формSince the matrices [A] and [B] are Hermitian, K (J) is the ratio of Hermitian forms. The Hermitian forms included in (16) define a bunch of forms
который является регулярным, так как форма |J〉*[В]·|J〉 положительно определена, что обусловлено ее физическим смыслом.which is regular, since the form | J〉 * [B] · | J〉 is positive definite, due to its physical meaning.
Максимум (16) равен наибольшему характеристическому числу пучка форм (17), причем этот максимум достигается только на соответствующем этому числу главном векторе пучка [2].The maximum (16) is equal to the largest characteristic number of the beam of forms (17), and this maximum is achieved only on the main beam vector corresponding to this number [2].
В соответствии с [2] максимальным собственным значением пучка эрмитовых форм (17) является максимальное собственное значение матрицы [D], определяемой какIn accordance with [2], the maximum eigenvalue of the hermitian form pencil (17) is the maximum eigenvalue of the matrix [D], defined as
а собственный вектор, соответствующий максимальному собственному значению матрицы [D], и будет решением задачи оптимизации (8).and the eigenvector corresponding to the maximum eigenvalue of the matrix [D] will be the solution to the optimization problem (8).
Максимальное собственное значение и соответствующий ему собственный вектор матрицы [D] могут быть определены одним из известных способов, например QR разложения [3]. Однако в данном случае можно поступить проще. Поскольку ранг матрицы [А] равен единице, то вектор токов, доставляющий максимум функционалу (16), может быть найден аналитически из выражения [4]The maximum eigenvalue and the corresponding eigenvector of the matrix [D] can be determined by one of the known methods, for example, QR decomposition [3]. However, in this case, you can do simpler. Since the rank of the matrix [A] is equal to unity, the current vector delivering a maximum to the functional (16) can be found analytically from the expression [4]
Работа устройства, функционирующего по предложенному способу, может быть проиллюстрирована с помощью фиг.1. Информация о направлениях φs максимумов формируемых лепестков и соответствующих весах ws поступает на входы 1 и 2 вычислителя КВК 3, функционирующего в соответствии с выражением (19). Принятые каждым излучателем 4 сигналы взвешивают с помощью устройств комплексного взвешивания 5 в соответствии с КВК, определяемыми вычислителем 3, после чего они поступают на входы высокочастотного сумматора 6. В результате на выходе 7 высокочастотного сумматора 6 формируется диаграмма направленности f(φ), имеющая S лепестков (“лучей”) с относительными уровнями ws.The operation of the device operating according to the proposed method can be illustrated using figure 1. Information on the directions φ s of the maxima of the formed petals and the corresponding weights w s is supplied to the inputs 1 and 2 of the
В качестве примера на фиг.2 приведена трехлепестковая ДН, сформированная кольцевой АР с изотропными излучателями при следующих исходных данных: число излучателей N=36, шаг решетки λ/2, углы ориентации лепестков ДН φ1=110°, φ2=150°, φ3=240°, весовые коэффициенты w1=1, w2=1, w3=0.5.As an example, figure 2 shows a three-petal DN formed by a circular AR with isotropic emitters with the following initial data: the number of emitters N = 36, the lattice pitch λ / 2, the orientation angles of the petals of the DN φ 1 = 110 °, φ 2 = 150 °, φ 3 = 240 °, weights w 1 = 1, w 2 = 1, w 3 = 0.5.
При проведении расчетов диаграммы направленности элементов принимались в видеWhen calculating the radiation patterns of the elements were taken in the form
где φn - угловая координата n-го излучателя.where φ n is the angular coordinate of the nth emitter.
Комплексные амплитуды токов в элементах АР находились как с помощью выражения (18), т.е. через определение собственных чисел и собственных векторов матрицы D, так и с помощью выражения (19). Как и следовало ожидать, оба пути приводят к одному и тому же результату. Из фиг.2 видно, что положения “лучей” (лепестков) ДН и их уровни соответствуют заданным.The complex amplitudes of the currents in the elements of the AR were found using expression (18), i.e. through the determination of the eigenvalues and eigenvectors of the matrix D, and using the expression (19). As expected, both paths lead to the same result. From figure 2 it is seen that the position of the "rays" (petals) of the NAM and their levels correspond to the set.
На фиг.3 продемонстрирована возможность последовательного формирования с помощью алгоритма (19) однолепестковой (f1(φ)), двухлепестковой (f2((φ)) и трехлепестковой (f3(φ)) ДН. В первом случае формируется лепесток с номером s=1 (т.е. с весом w1 и ориентацией φ1), во втором - лепестки с номерами 1 и 3, а в третьем - все три лепестка, приведенные на фиг.1.Figure 3 shows the possibility of sequential formation using algorithm (19) of a single-leaf (f1 (φ)), two-leaf (f2 ((φ)) and three-leaf (f3 (φ)) MDs. In the first case, a lobe with number s = 1 is formed (i.e., with the weight w 1 and orientation φ 1 ), in the second - petals with
Таким образом, изменение режима выполнения операции взвешивания, проявившееся в том, что при определении главного вектора пучка эрмитовых форм используют информацию о направлениях ориентации лепестков диаграммы направленности и их относительном уровне, а в качестве первой эрмитовой формы пучка выбирают квадрат модуля взвешенной суммы значений диаграммы направленности в направлениях формируемых лепестков, обеспечивает формирование многолепестковых диаграмм направленности с заданными положениями и уровнями основных лепестков.Thus, the change in the mode of performing the weighing operation, which manifests itself in the fact that when determining the main vector of a beam of Hermitian forms, information is used on the orientation directions of the beam patterns and their relative level, and the square of the module of the weighted sum of the values of the radiation pattern in the directions of the formed petals, provides the formation of multi-petal radiation patterns with predetermined positions and levels of the main petals.
Источники информацииSources of information
1. Э.И.Крупицкий. О максимальной направленности антенн, состоящих из дискретных излучателей // Доклады АН СССР, 1962, т.143, №3, с.257-259.1. E.I. Krupitsky. On the maximum directivity of antennas consisting of discrete emitters // Reports of the Academy of Sciences of the USSR, 1962, v.143, No. 3, p.257-259.
2. Ф.Р.Гантмахер. Теория матриц. - 4-е изд. - М.: Наука, гл. ред. физ-мат. лит., 1988, 552 с.2. F.R. Gantmakher. Matrix theory. - 4th ed. - M.: Science, ch. ed. physical mat. lit., 1988, 552 p.
3. Воеводин В.В., Кузнецов Ю.А. Матрицы и вычисления. М.: Наука, гл. ред. физ-мат. лит., 1984, 320 с.3. Voevodin VV, Kuznetsov Yu.A. Matrices and calculations. M .: Science, ch. ed. physical mat. lit., 1984, 320 p.
4. Cheng David К. Optimization techniques for antenna arrays, "Proc. IEEE", 1971, 59, №12, 1664-1674.4. Cheng David K. Optimization techniques for antenna arrays, "Proc. IEEE", 1971, 59, No. 12, 1664-1674.
Claims (1)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2003123689/09A RU2249890C1 (en) | 2003-07-28 | 2003-07-28 | Method for shaping lobed directivity pattern of antenna array |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2003123689/09A RU2249890C1 (en) | 2003-07-28 | 2003-07-28 | Method for shaping lobed directivity pattern of antenna array |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2003123689A RU2003123689A (en) | 2005-02-10 |
RU2249890C1 true RU2249890C1 (en) | 2005-04-10 |
Family
ID=35208359
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2003123689/09A RU2249890C1 (en) | 2003-07-28 | 2003-07-28 | Method for shaping lobed directivity pattern of antenna array |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2249890C1 (en) |
Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2480869C1 (en) * | 2012-09-13 | 2013-04-27 | Петр Николаевич Башлы | Method for generation of contour directivity diagram of antenna array |
RU2614030C1 (en) * | 2016-02-05 | 2017-03-22 | Федеральное государственное бюджетное учреждение "Центральный научно-исследовательский институт Войск воздушно-космической обороны Минобороны России (ФГБУ "ЦНИИ ВВКО Минобороны России") | Method of forming stacked beam of self-focusing adaptive antenna array |
RU2716262C1 (en) * | 2018-11-22 | 2020-03-11 | Андрей Викторович Быков | Method of measuring elevation angle of radar targets by cylindrical phased antenna array |
-
2003
- 2003-07-28 RU RU2003123689/09A patent/RU2249890C1/en not_active IP Right Cessation
Non-Patent Citations (1)
Title |
---|
КРУПИЦКИЙ Э.И., О максимальной направленности антенн, состоящих из дискретных излучателей, Доклады АН СССР, 1962, т.143, №3, с.257-259. * |
Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2480869C1 (en) * | 2012-09-13 | 2013-04-27 | Петр Николаевич Башлы | Method for generation of contour directivity diagram of antenna array |
RU2614030C1 (en) * | 2016-02-05 | 2017-03-22 | Федеральное государственное бюджетное учреждение "Центральный научно-исследовательский институт Войск воздушно-космической обороны Минобороны России (ФГБУ "ЦНИИ ВВКО Минобороны России") | Method of forming stacked beam of self-focusing adaptive antenna array |
RU2716262C1 (en) * | 2018-11-22 | 2020-03-11 | Андрей Викторович Быков | Method of measuring elevation angle of radar targets by cylindrical phased antenna array |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
RU2003123689A (en) | 2005-02-10 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
Haupt | Phase-only adaptive nulling with a genetic algorithm | |
Zhang et al. | Synthesis of broadside linear aperiodic arrays with sidelobe suppression and null steering using whale optimization algorithm | |
CN107658573B (en) | Circular array directional diagram synthesis method based on quantum searcher search mechanism | |
Patwari | Sparse linear antenna arrays: a review | |
Liu et al. | Synthesis of multibeam sparse circular-arc antenna arrays employing refined extended alternating convex optimization | |
Dalli et al. | Circular array with central element for smart antenna | |
Zhang et al. | Linear unequally spaced array synthesis for sidelobe suppression with different aperture constraints using whale optimization algorithm | |
Ai et al. | Precise array response control for beampattern synthesis with minimum pattern distortion | |
RU2249890C1 (en) | Method for shaping lobed directivity pattern of antenna array | |
Wu et al. | An iterative method for array pattern synthesis | |
Levin et al. | A generalized theorem on the average array directivity factor | |
CN114510879B (en) | Phase configuration method for arbitrary interval linear array end-fire enhancement | |
Mandal et al. | Linear antenna array synthesis using improved Particle Swarm Optimization | |
Komeylian et al. | Implementation of a three-class classification ls-svm model for the hybrid antenna array with bowtie elements in the adaptive beamforming application | |
Nechaev et al. | The Research of the Digital Beamforming Algorithm for Optimal Noise Reduction in a Cylindrical Antenna Array with Directive Radiators | |
RU2314610C1 (en) | Method for power optimization of phased antenna array | |
RU2302061C1 (en) | Method for shaping antenna-array multilobe directivity patterns | |
RU2480869C1 (en) | Method for generation of contour directivity diagram of antenna array | |
Atzemourt et al. | Beamforming Optimization by Binary Genetic Algorithm | |
Hopkins et al. | Aperture efficiency of amplitude weighting distributions for array antennas | |
Han et al. | Array pattern synthesis using a digital position shift method | |
Gemechu et al. | Phase-only beampattern synthesis with nulling for linear antenna arrays | |
RU2559763C2 (en) | Formation method of dips of directions of interference sources in directivity patterns of flat phased antenna arrays with non-rectangular aperture boundary | |
Pompeo et al. | Phase-only pattern synthesis using a modified least squares method for phased arrays | |
CN111913153B (en) | MIMO radar rapid multi-beam forming method based on subarray structure |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20050729 |