RU2713715C1 - Способ формирования провалов в диаграммах направленности активных фазированных антенных решеток в направлениях источников помех - Google Patents
Способ формирования провалов в диаграммах направленности активных фазированных антенных решеток в направлениях источников помех Download PDFInfo
- Publication number
- RU2713715C1 RU2713715C1 RU2019113015A RU2019113015A RU2713715C1 RU 2713715 C1 RU2713715 C1 RU 2713715C1 RU 2019113015 A RU2019113015 A RU 2019113015A RU 2019113015 A RU2019113015 A RU 2019113015A RU 2713715 C1 RU2713715 C1 RU 2713715C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- interference
- hermitian
- weight coefficients
- column vector
- matrix
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
- H01Q3/00—Arrangements for changing or varying the orientation or the shape of the directional pattern of the waves radiated from an antenna or antenna system
- H01Q3/26—Arrangements 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
Изобретение относится к антенной технике и при известных направлениях на источники помех может быть использовано для их пространственного подавления путем формирования провалов в диаграммах направленности (ДН) активных фазированных антенных решеток (АФАР) в направлениях действия источников помех. Технический результат заключается в возможности формирования провалов в диаграмме направленности АФАР при сохранении, в основном, исходной формы диаграммы направленности. Способ основан на взвешивании сигналов, принятых каждым излучателем, с помощью весовых коэффициентов, в соответствии с которым весовые коэффициенты находят с использованием функционала, характеризующего отношение мощности сигнала, принимаемого с заданного направления, образующей первую эрмитову форму, к сумме мощностей шума и помех с известным распределением в пространстве, образующей вторую эрмитову форму, причем для определения вектора-столбца весовых коэффициентов в каналах излучателей используют обратную матрицу второй эрмитовой формы и вектор-столбец сигналов, падающих с направления главного луча. При определении вектора-столбца весовых коэффициентов используют также матрицу второй эрмитовой формы при отсутствии помех и при определении вектора-столбца весовых коэффициентов используют обратную матрицу второй эрмитовой формы, матрицу второй эрмитовой формы при отсутствии помех и вектор-столбец сигналов, падающих с направления главного луча. 6 ил.
Description
Изобретение относится к антенной технике и при известных направлениях на источники помех может быть использовано для их пространственного подавления путем формирования провалов в диаграммах направленности (ДН) активных фазированных антенных решеток (АФАР), в направлениях действия источников помех.
Управление формой ДН АФАР может осуществляться путем воздействия как на амплитуды и фазы излучателей [1 - Мануилов Б.Д., Башлы П.Н., Безуглов Ю.Д. Алгоритм управления многофункциональными антенными решетками на основе метода парциальных диаграмм // Антенны, 2005 г., №9, стр. 72-77], так и только на фазы излучателей [2 - Кондратьев А.С. Метод фазового синтеза антенных решеток с учетом дополнительных требований к форме диаграммы направленности // Радиотехника и электроника, 1990, №12, стр. 2530-2540].
Примененный в работе [1] метод парциальных диаграмм на основе функций Котельникова дает возможность гибкого управления формой ДН. В [1] с его помощью синтезированы ДН с пониженным (-40 дБ) уровнем боковых лепестков, косекансная ДН, столообразная ДН и двухлепестковая ДН. Метод позволяет формировать провалы в ДН в направлении источников помех. Достоинство метода - исключительно высокое быстродействие, так как матрица системы уравнений унитарная и токи находятся непосредственным вычислением. Основным недостатком метода является то, что он применим только к решеткам с прямоугольной формой раскрыва.
В работе [2] предложен итерационный метод фазового синтеза антенных решеток (АР) по заданной комплексной ДН, позволяющий учитывать дополнительные требования к форме синтезируемой ДН, в частности, формировать нули ДН в выбранных угловых направлениях. Метод может быть применен к АР с произвольной формой раскрыва. Основным недостатком метода является относительно медленное быстродействие, поскольку на каждом шаге итерационного процесса производится сравнение заданной и реализуемой ДН.
К способам амплитудно-фазового управления АФАР относится известный способ формирования провалов в ДН АР в направлениях источников помех, пригодный для АР с произвольной формой раскрыва, обеспечивающий при известных направлениях на источники помех максимизацию отношения мощности сигнала к мощности помех и шума (ОСПШ) на входе приемника [3 - Cheng David K. Optimization techniques for antenna arrays // Proc. IEEE, 1971, v. 59, №12, pp. 1664-1674]. Данный способ является ближайшим аналогом (прототипом) заявляемого.
Вначале рассмотрим математическое обоснование существа способа [3].
ОСПШ (рассмотрим одномерный случай) можно представить в следующем виде:
где J - вектор-столбец комплексных амплитуд токов в элементах АР;
* (звездочка) - знак эрмитова сопряжения матрицы и комплексного сопряжения скалярной величины;
ƒ(θ0) - ДН АР в направлении максимума луча;
ƒ(θ) - ДН АР;
T(θ) - функция распределения помех в пространстве;
А и В - эрмитовы матрицы порядка N(N - количество элементов АР) с элементами
где ƒn(θ0) - значение ДН n-го элемента в направлении максимума луча.
Из (1) видно, что и числитель, и знаменатель в (1) являются эрмитовыми формами. Из (2) видно, что ранг матрицы А равен единице. Эрмитова форма в знаменателе (1) является положительно определенной, что обусловлено ее физическим смыслом (это - мощность).
В [3] показано, что при соблюдении указанных выше условий вектор токов, максимизирующий ОСПШ (1), может быть найден по формуле
где Т - знак транспонирования.
Через f обозначен вектор-столбец значений ДН элементов ƒm(θ0) в направлении максимума луча.
Такой вид выражения (3) и (4) имеют при идентичности каналов излучателей.
Диаграмма направленности АР при этом вычисляется по формуле
Существо данного способа, как совокупности операций над материальными объектами, состоит в следующем. Сигналы, принятые каждым излучателем, взвешивают с помощью весовых коэффициентов, в соответствии с которым весовые коэффициенты находят с использованием функционала, характеризующего отношение мощности сигнала, принимаемого с заданного направления, образующей первую эрмитову форму, к сумме мощностей шума и помех с известным распределением в пространстве, образующей вторую эрмитову форму, причем для определения вектора-столбца весовых коэффициентов в каналах излучателей используют обратную матрицу второй эрмитовой формы и вектор-столбец сигналов, падающих с направления главного луча.
Недостатком данного способа является то, что какой бы ни была исходная ДН (косекансная, чебышевская, секторная или соответствующая равномерному возбуждению), в процессе формирования провалов в ДН происходит также максимизация ОСПШ, а синтезированные ДН не сохраняют свои особенности.
Продемонстрируем это на примере линейной АР, содержащей N изотропных элементов (N=21), расположенных с шагом d равным 0.5λ, λ - длина волны. Примем, что угол ориентации луча, отсчитываемый от линии расположения излучателей, θ0 равен 70°. Присвоим весам значения
обеспечивающие формирование ДН, все боковые лепестки которой имеют уровень минус 19 дБ.
Штриховой линией на фигуре 1 изображена чебышевская ДН, рассчитанная по формуле
Непрерывной тонкой линией на фигуре 1 изображена ДН решетки, оптимизированной из равномерно возбужденного состояния, рассчитанная по формулам (3)-(5) при действии помех с направлений θ1 равного 20° и θ2 равного 77.5°, здесь и далее интенсивность помех задавалась равной 108. Сигнал принимается с направления θ0 равного 70°. В направлениях источников помех сформированы глубокие (глубже минус 150 дБ) провалы.
Формирование провалов в ДН с исходным чебышевским распределением (6) моделировалось по формуле
причем элементы матрицы D имели вид
а ДН рассчитывалась по формуле
Функция распределения помех Т(θ) при расчетах задавалась выражением:
где Р - интенсивность помех, а единица характеризует собственные шумы системы.
Оптимизированная по формулам (8)-(10) ДН с исходным чебышевским распределением (6) представлена на фигуре 1 жирной линией. Очевидно, что глубокие провалы в ДН формируются, однако она не является чебышевской.
Таким образом, формирование провалов в направлениях источников помех (оптимизация) в соответствии с (4) либо (8) не сохраняет особенности исходной ДН.
Технической проблемой, на решение которой направлен предлагаемый способ, является устранение недостатка известного способа, то есть сохранение при формировании провалов в ДН в направлении источников помех основных свойств исходной ДН.
Для решения указанной технической проблемы предлагается способ формирования провалов в диаграммах направленности активных фазированных антенных решеток в направлениях источников помех, основанный на взвешивании сигналов, принятых каждым излучателем, с помощью весовых коэффициентов, в соответствии с которым весовые коэффициенты находят с использованием функционала, характеризующего отношение мощности сигнала, принимаемого с заданного направления, образующей первую эрмитову форму, к сумме мощностей шума и помех с известным распределением в пространстве, образующей вторую эрмитову форму, причем для определения вектора-столбца весовых коэффициентов в каналах излучателей используют обратную матрицу второй эрмитовой формы и вектор-столбец сигналов, падающих с направления главного луча.
Согласно изобретению при определении вектора весовых коэффициентов находят также матрицу второй эрмитовой формы при отсутствии помех и при определении вектора-столбца весовых коэффициентов используют обратную матрицу второй эрмитовой формы, матрицу второй эрмитовой формы при отсутствии помех и вектор-столбец сигналов, падающих с направления главного луча
Проведенный сравнительный анализ заявленного способа и прототипа показывает, что в заявленном способе введены две новые операции:
- нахождение матрицы второй эрмитовой формы при отсутствии помех;
- домножение на нее обратной матрицы второй эрмитовой формы.
Техническим результатом является возможность формирования провалов в диаграмме направленности АФАР при сохранении в основном исходной формы диаграммы направленности за счет взвешивания сигналов, принятых каждым излучателем, с помощью весовых коэффициентов, в соответствии с которым весовые коэффициенты находят с использованием функционала, характеризующего отношение мощности сигнала, принимаемого с заданного направления, образующей первую эрмитову форму, к сумме мощностей шума и помех с известным распределением в пространстве, образующей вторую эрмитову форму, причем для определения вектора-столбца весовых коэффициентов в каналах излучателей используют обратную матрицу второй эрмитовой формы, матрицу второй эрмитовой формы при отсутствии помех и вектор-столбец сигналов, падающих с направления главного луча.
Сочетание отличительных признаков и свойств предлагаемого способа из литературы не известны, поэтому он соответствует критериям новизны и изобретательского уровня.
Возможности предлагаемого способа иллюстрируют фигуры 1-6.
На фигуре 1 продемонстрированы результаты оптимизации чебышевской ДН и ДН, полученной при равномерном возбуждении элементов.
На фигуре 2 продемонстрирована работа предложенного способа в случае чебышевской ДН.
На фигуре 3 продемонстрирована работа предложенного способа в случае косекансной ДН.
На фигуре 4 продемонстрирована работа предложенного способа в случае секторной ДН.
На фигуре 5 продемонстрирована работа предложенного способа в случае косекансной ДН при попадании помехи в пределы главного луча.
На фигуре 6 продемонстрирована работа предложенного способа в случае секторной ДН при попадании помехи в пределы главного луча.
При осуществлении данного способа выполняют следующую последовательность операций:
1. Определяют исходную ДН АР;
2. Находят матрицы первой и второй эрмитовых форм;
3. Выполняют обращение матрицы второй эрмитовой формы;
4. Находят матрицу второй эрмитовой формы при отсутствии помех;
5. Домножают матрицу второй эрмитовой формы при отсутствии помех на обратную матрицу второй эрмитовой формы;
6. Вычисляют вектор весовых коэффициентов;
7. Вводят рассчитанные весовые коэффициенты непосредственно в каналы АР.
Рассмотрим предлагаемый способ формирования провалов в диаграммах направленности АФАР в направлениях источников помех. Вектор весовых коэффициентов, обеспечивающий формирование провалов в направлении источников помех, находим с помощью выражения:
Элементы матрицы второй эрмитовой формы D0 при отсутствии помех определены выражением (9) при условии Т(θ)=1, то есть:
Диаграмма направленности при этом рассчитывается с помощью выражения (10).
Предположим, что каждый излучатель АР подключен к высокочастотному сумматору через индивидуальный фазовращатель и аттенюатор. Управляющие входы каждого фазовращателя и аттенюатора подключены к соответствующему выходу вычислителя амплитуд и фаз. На входы вычислителя поступает информация о форме ДН и направлении прихода сигнала θ0, на основании которой он вводит в каждый фазовращатель и аттенюатор соответствующие значения фаз и амплитуд. При поступлении информации о наличии помеховых сигналов вычислитель амплитуд и фаз определяет по формуле (11) весовые коэффициенты, которые также вводятся в фазовращатель и аттенюатор каждого канала. При этом на выходе высокочастотного сумматора формируется ДН с провалами в направлениях источников помех при сохранении в основном исходной формы Д Н.
На фигуре 2 штриховой линией изображена исходная (чебышевская) ДН с ориентацией максимума в направлении θ2=70°, а непрерывной линией - та же чебышевская, с провалами в направлениях первого бокового лепестка θ2 равном 77,5° и одного из дальних θ1 равном 20°, по которым действуют помехи. Очевидно, что вне областей провалов ДН при формировании провалов сохраняет форму.
Аналогичные выводы можно сделать и для других форм ДН. На фигуре 3 жирными точками изображена косекансная ДН. Она сформирована по методу парциальных диаграмм [1]. Мелкими точками нанесена функция косеканс. Непрерывная линия показывает, что в результате оптимизации в соответствии с (11) в косекансной ДН сформировались глубокие провалы в направлениях первых боковых лепестков при θ1 = 82.5° и θ2 = 155° при минимальных искажениях исходной ДН.
На фигуре 4 пунктиром изображена исходная секторная ДН, сформированная, как и в случае косекансной ДН, с использованием метода парциальных диаграмм. Непрерывной линией изображена оптимизированная с помощью выражения (11) секторная ДН с провалами в направлениях двух наибольших лепестков. Очевидно, и в данном случае в направлении источников помех θ1 равном 44° и θ2 равном 110° сформировались глубокие провалы при минимальных искажениях исходной ДН.
Следует отметить, что в тех случаях, когда помеха попадает в пределы косекансного или расширенного главного луча катастрофического изменения ДН не происходит. Это следует из фигур 5 и 6, на первой из которых продемонстрировано формирование глубокого нуля в направлении помехи, действующей с направления θ2 равного 130° на АФАР с косекансной ДН. На фигуре 6 продемонстрирован случай формирования провала в направлении помехи, попадающей в пределы главного луча АФАР с секторной ДН.
Приведенные примеры свидетельствуют о том, что введение двух новых операций:
- нахождение матрицы второй эрмитовой формы при отсутствии помех;
- домножение на нее обратной матрицы второй эрмитовой формы;
обеспечивает формирование провалов в ДН в направлении источников помех при сохранении в основном исходной формы диаграммы направленности.
Платой за сохранение основных свойств (формы) исходной ДН является уменьшение, по сравнению с прототипом, отношения мощности сигнала к сумме мощностей шума и помех.
Таким образом, в результате введения в способ [3] двух новых операций достигается следующий технический результат: возможность формирования провалов в диаграмме направленности АФАР при сохранении в основном исходной формы диаграммы направленности за счет взвешивания сигналов, принятых каждым излучателем, с помощью весовых коэффициентов, в соответствии с которым весовые коэффициенты находят с использованием функционала, характеризующего отношение мощности сигнала, принимаемого с заданного направления, образующей первую эрмитову форму, к сумме мощностей шума и помех с известным распределением в пространстве, образующей вторую эрмитову форму, причем для определения вектора-столбца весовых коэффициентов в каналах излучателей используют обратную матрицу второй эрмитовой формы, матрицу второй эрмитовой формы при отсутствии помех и вектор-столбец сигналов, падающих с направления главного луча.
Claims (1)
- Способ формирования провалов в диаграммах направленности активных фазированных антенных решеток в направлениях источников помех, при котором взвешивают сигналы, принятые каждым излучателем, с помощью весовых коэффициентов, в соответствии с которым весовые коэффициенты находят с использованием функционала, характеризующего отношение мощности сигнала, принимаемого с заданного направления, образующей первую эрмитову форму, к сумме мощностей шума и помех с известным распределением в пространстве, образующей вторую эрмитову форму, причем для определения вектора-столбца весовых коэффициентов в каналах излучателей используют обратную матрицу второй эрмитовой формы и вектор-столбец сигналов, падающих с направления главного луча, отличающийся тем, что при определении вектора-столбца весовых коэффициентов используют также матрицу второй эрмитовой формы при отсутствии помех и при определении вектора-столбца весовых коэффициентов используют обратную матрицу второй эрмитовой формы, матрицу второй эрмитовой формы при отсутствии помех и вектор-столбец сигналов, падающих с направления главного луча.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2019113015A RU2713715C1 (ru) | 2019-04-26 | 2019-04-26 | Способ формирования провалов в диаграммах направленности активных фазированных антенных решеток в направлениях источников помех |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2019113015A RU2713715C1 (ru) | 2019-04-26 | 2019-04-26 | Способ формирования провалов в диаграммах направленности активных фазированных антенных решеток в направлениях источников помех |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2713715C1 true RU2713715C1 (ru) | 2020-02-06 |
Family
ID=69625349
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2019113015A RU2713715C1 (ru) | 2019-04-26 | 2019-04-26 | Способ формирования провалов в диаграммах направленности активных фазированных антенных решеток в направлениях источников помех |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2713715C1 (ru) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2808693C1 (ru) * | 2023-04-25 | 2023-12-01 | Акционерное общество "Научно-исследовательский институт Приборостроения имени В.В. Тихомирова" | Способ управления шириной расширенных лучей фазированной антенной решетки |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| SU1712993A1 (ru) * | 1989-04-11 | 1992-02-15 | Ростовское высшее военное командно-инженерное училище ракетных войск им.Главного Маршала артиллерии Неделина М.И. | Способ формировани провала в диаграмме направленности антенной решетки |
| RU2019012C1 (ru) * | 1991-01-09 | 1994-08-30 | Колосов Леонид Владимирович | Способ формирования провала в диаграмме направленности частично адаптивной антенной решетки |
| RU2457589C1 (ru) * | 2010-12-23 | 2012-07-27 | Открытое акционерное общество "Научно-исследовательский институт приборостроения имени В.В. Тихомирова" | Фазовый способ формирования провала в диаграмме направленности плоской фазированной антенной решетки |
| RU2579610C2 (ru) * | 2011-04-06 | 2016-04-10 | Открытое акционерное общество "Научно-исследовательский институт приборостроения имени В.В. Тихомирова" | Фазовый способ формирования провалов в диаграмме направленности плоской фазированной антенной решетки |
-
2019
- 2019-04-26 RU RU2019113015A patent/RU2713715C1/ru active
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| SU1712993A1 (ru) * | 1989-04-11 | 1992-02-15 | Ростовское высшее военное командно-инженерное училище ракетных войск им.Главного Маршала артиллерии Неделина М.И. | Способ формировани провала в диаграмме направленности антенной решетки |
| RU2019012C1 (ru) * | 1991-01-09 | 1994-08-30 | Колосов Леонид Владимирович | Способ формирования провала в диаграмме направленности частично адаптивной антенной решетки |
| RU2457589C1 (ru) * | 2010-12-23 | 2012-07-27 | Открытое акционерное общество "Научно-исследовательский институт приборостроения имени В.В. Тихомирова" | Фазовый способ формирования провала в диаграмме направленности плоской фазированной антенной решетки |
| RU2579610C2 (ru) * | 2011-04-06 | 2016-04-10 | Открытое акционерное общество "Научно-исследовательский институт приборостроения имени В.В. Тихомирова" | Фазовый способ формирования провалов в диаграмме направленности плоской фазированной антенной решетки |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2808693C1 (ru) * | 2023-04-25 | 2023-12-01 | Акционерное общество "Научно-исследовательский институт Приборостроения имени В.В. Тихомирова" | Способ управления шириной расширенных лучей фазированной антенной решетки |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN102801455B (zh) | 波束码本生成方法、波束搜索方法及相关装置 | |
| KR20160055590A (ko) | 레이더 신호 처리를 위한 빔 형성 장치 및 그 방법 | |
| CN115084874A (zh) | 基于异构子阵非均匀布局的波束扫描阵列优化设计方法 | |
| JP2021005861A (ja) | フェーズドアレイアンテナを用いた高速空間探索 | |
| RU2713715C1 (ru) | Способ формирования провалов в диаграммах направленности активных фазированных антенных решеток в направлениях источников помех | |
| Zhou et al. | Fast low-sidelobe pattern synthesis for linear array thinning utilizing a modified iterative Chirp-Z transform technique | |
| Lu et al. | A novel adaptive phase-only beamforming algorithm based on semidefinite relaxation | |
| Wu et al. | An iterative method for array pattern synthesis | |
| Jeripotula et al. | A novel sign variable step size LMS (SiVSS-LMS) algorithm for adaptive beamforming | |
| WO2023186259A1 (en) | Beam forming using an atenna array comprising dual-polarized elements | |
| Agha et al. | IFT and Chebyshev-based planar array thinning for adaptive interference suppression | |
| RU2507646C1 (ru) | Способ формирования провалов в диаграммах направленности фазированных антенных решеток в направлениях источников помех | |
| Ram et al. | Craziness particle swarm optimization based hyper beamforming of linear antenna arrays | |
| Bing | A simplified genetic algorithm in multi-beam combination for mmWave communication system | |
| RU2255396C2 (ru) | Способ энергетической оптимизации моноимпульсных антенных решеток с совместным формированием лучей | |
| RU2314610C1 (ru) | Способ энергетической оптимизации фазированной антенной решетки | |
| RU2777692C1 (ru) | Способ обработки сигналов в адаптивной антенной решетке при приеме коррелированных сигналов и помех | |
| RU2764000C1 (ru) | Способ формирования диаграммы направленности | |
| Chitre et al. | Optimisation and beamforming of a two dimensional sparse array | |
| Goudos et al. | On the orthogonal nonuniform synthesis from a set of uniform linear arrays | |
| RU2559763C2 (ru) | Способ формирования провалов в направлениях источников помех в диаграммах направленности плоских фазированных антенных решеток с непрямоугольной границей раскрыва | |
| Hughes et al. | Tilted directional response patterns formed by amplitude weighting and a single 90° phase shift | |
| US20240258707A1 (en) | Modulated metasurface antenna and design | |
| RU2123743C1 (ru) | Способ формирования нуля диаграммы направленности фазированной антенной решетки | |
| RU2287877C1 (ru) | Способ энергетической оптимизации моноимпульсных антенных решеток с совместным формированием лучей |