Алгоритмы адаптации многолучевых антенн, построенных на базе гибридно-зеркальных антенн Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

Journal of Siberian Federal University. Engineering & Technologies 7 (2013 6) 835-844 УДК 621.396.669.8

Алгоритмы адаптации многолучевых антенн, построенных на базе гибридно-зеркальных антенн

В.Н. Тяпкин, Д.Д. Дмитриев*, А.С. Першин

Сибирский федеральный университет, Россия 660041, Красноярск, пр. Свободный, 79

Received 25.12.2012, received in revised form 07.07.2013, accepted 21.09.2013

Рассмотрена адаптивная многолучевая антенна, построенная на базе гибридно-зеркальной антенны с облучателем в виде антенной решетки, в которой применен ускоренный алгоритм синтеза диаграммы направленности для подавления направленных помех, использующий в качестве критерия коэффициенты усиления антенны в заданных точках и позволяющий существенно ограничить размеры целевой функции и длительность синтеза. Проведено экспериментальное исследование предложенных алгоритмов, сделаны выводы о возможности применения адаптивных многолучевых гибридно-зеркальных антенн.

Ключевые слова: алгоритм адаптации к помехам, многолучевая антенна, гибридно-зеркальная антенна.

Введение

В настоящее время все более широкое распространение получают системы спутниковой связи (ССС). Основное назначение ССС заключается в предоставлении надежных, защищенных каналов для обмена информацией в зоне обслуживания (ЗО). Определены основные требования к перспективным ССС: существенное расширение пропускной способности каналов связи, освоение новых частотных диапазонов, возможность гибкого управления трафиком в зависимости от нагрузки на канал связи, подразумевающая формирование многолучевых диаграмм направленности (ДН) в пределах ЗО, высокая помехоустойчивость при воздействии как преднамеренных, так и индустриальных помех.

Для реализации требований по формированию многолучевых ДН и повышения помехоустойчивости в спутниковом ретрансляторе могут быть использованы как фазированные антенные решетки (ФАР) со сканирующими лучами, так и многолучевые антенны (МЛА), построенные на базе гибридно-зеркальных антенн (ГЗА). ФАР с цифровым формированием ДН позволяет гибко управлять направлением главных максимумов каждой из парциальных ДН в широком диапазоне углов, создавать глубокие провалы в ДН в направлении на источник

© Siberian Federal University. All rights reserved

* Corresponding author E-mail address: dmitriev121074@mail.ru

помех. Однако ФАР имеет большие массогабаритные характеристики, достаточно сложную аппаратную реализацию, особенно диаграммообразующей схемы, и, как следствие, высокую стоимость [1]. Адаптивные ГЗА имеют меньшие углы сканирования, но для геостационарных космических аппаратов (КА) и КА с высокоэллиптическими орбитами данный недостаток несущественен и перекрывается более простой конструкцией. Причем наиболее перспективным является применение антенной решетки (АР) со сравнительно небольшим числом элементов, используемой в качестве облучателя фокусирующего квазиоптического элемента зеркала. ГЗА сочетают в себе достоинства высокоэффективных зеркальных антенн и ФАР, позволяют формировать перестраиваемые многолучевые ДН и ДН специальной формы и обеспечивать пространственную фильтрацию сигналов и помех.

В данной статье исследуются методы адаптации к помеховой обстановке МЛА, построенных на базе ГЗА.

1. Построение многолучевой гибридно-зеркальной антенны и синтез алгоритм а ее адаптации

В качестве варианта адаптивной многолучевой ГЗА можно предложить следующее построение антенны. АР облучателя строится из 19 облучателей по кластерном° принципу, в котором каждый иа 7 луче й антенны формируется набором облучателей (кластером) (рис. 1) [2]. Каждый кластер, состоящий из 7 облучателей, в исходном состоянии запитывается синфазно, 50 % - излучаемой мощности подается на центральный облучатель, 50 % - на периферийные облучатели. При таком построении антенной системы лучи /ЗОН формируются на разных частотах, что исключает влияние лучей друг на друга.

Формирование провулов в ДН одного кластера в простейшем случае возможна при противофазном запитывании одного из облучателей (рис. 2). Однако такой способ имеет существенные недостатки: провал формируется на фиксированном направлении, происходит значительное уменьшение сигнала в 20 % - от номинальной ЗО, для подавления дополнительных помех

Рис. 1. Принцип формиров ания лучей по кластерной схеме облучающей решетки

НіЛрІМЯІІК ІфИВДІ поиски

ДОО). ;[ра[

-ї -Т -6 -5 -4 -3 -2 -I

25

30

I?

10

5

I 1 3 * 5 6 7 3 9

в, і рл.1

Рис. 2. Подавление в ГЗА помехи, действующей с направления главного лепестка ДН: сплошная линия -исходная ДН, прерывистая - ДН в ревультате противофазного запитывания одного из облучателей кластера

необходимо противофазно запитывать допорнительный облучатель, что приводит к еще б оль-шей деврадрции ДН антенны [3].

Формирование провалов в ДН із направлении боковых лепе ртков возможно при у величе-нии числа излу чателей, формирующих ДН ГЗА. Однако это не вс егда эффективно, поскольку приведет к усложнению схемы построения анеенны и увеличен ию ее массогабаритных показателей.

Для повышения эффективности работы антенны разработан алгоритм синтеза амплитудно-фаиового роспределения (АФР) облнчающей решетки ГЗА. Это позволяет син-тсзироеттв ДН антенны желаемо й формы и формтрораеь провалы не только в направлении главного лепестка ДН, но и в направлении бииовых лепестков при прежнем количестве об-лучате лей в решетке 0-3] •

В общем случае ДНв дальней зоне МЛА при ребота в клалтере записывается в виде

Необходим о ограничить амплитуду облу чателей исходя из условия нормирования мощности кластера:

ЫРЗЛ

Ё лу =1 • (2)

Величина Еу является заранее известной величиной и в процессе синтеза АФР выступает константой для определенной точки 0 н ф,. Для ускорения расчета АФР ограничим функцию (1) набором точек, задаваемых программно. 1В каждой точке задается требуемое значение уровня сигнала.

где И, = А 'е ^ - ввюовой коэффициент облучателя; Еу - ДН от/-го облучателя в Т-м направление неТодеенок; |-Е(^.,0.,ф.)| - требуемая ДН антенны.

Набор весовых коэф фициентов представим в виде вектора

W = \Ш1№г,-№1 ]*Г • (3)

Для ограничения расмеров целевой фу нкции и длительности спнтеза АФР расчет проводится в наборе точек. Это позволяет значительно ускорить скорость расчета требуемого АФР и повысить эффективность системы в целом.

В качестве критерия для синтеза ДН используется коэффициент усиления (КУ) антенны в заданных точках - «целях». Кроме того, необходимо модифицировать алгоритм в связи с ограничением количества точек и необходимостью формировать провалы в ДН. Введем понятие ВК «цели», которые будут задавать повышение рнбо уменьшение у ровня сигнала для заданной «цели»: ом > 0 - повышение уровня сигнала в данно й точке, стремоннис к максимально возможному значению; м < 0 - подавление сигнала в данной точке, стремление к минимально возможному значению.

Под «целью» здесь понимается возможное положение помехи для синтеза АФР облучающий! решетки , б также требования по уровню сигнала в остальной части ЗО. Данные для каждой «це ли» задают' требуемое зньчение сигнала в определенной точке ЗО, также набор весовых ноэффициентов, которые оРозначают цели программы - стре мление к максимальному значению сигнала либо подавление сигноле для задунной «цели».

На основе вышеизложенных рассуждений запишем целевую функцию алгоритма для синтеза АФР кластера:

ы = мк(|Е(0, ф)Рль, ,к - ШЬ, ф)|2), (4)

где м. - весовой коэффициент «цели»; |Е(0, ф)цель> ,|2 - требуемое значение уровня сигнала в данной точке пространства; |Е,(0, ф)|2 - достигнутое значение уровня сигнала в данной точке пространства.

Таким образом, имеется набор значений Ы, соответствующий набору координат в требуемой зоне обслуживаниу. Цель алгоритма - минимизировать знбчение функции -Р(х). Последовательными итерациями подбирается значение параметров для достижения минимального зоачения целевой функции

¥(х) = шах./(-),^(х),/,(*),....,оО(х)}. (5)

В качестве первой итерации берется исходное синфазное распределение решетки облучателей. Далее алгоритм рассчитывает КУ для каждой задунной точки и находит максимальное значение разницы между требуемым асилением и действительным ЬЕ = (|(?(9,ф)¥вЛ6,-| -р}(9,ф)|2). Из набора ДЕ находится та точка, в которой наблюдается максимальное ррсхождение началь-

ного состояния и требуемого (ДЕшах) и вычисляется градирнт вектора

дЕ дЕ дЕ

= дЕЕ

дЖх д]¥2 аWj

в точке максимального расхождения. Далее заменяется вектор-парамевр его новым значе-

нием = 'М'о ±стУЕ, где а - размер шага, задаваемый программно . Процесс повторяется до тех пор, пока |^1 - ’^'оЦ < е (е задается перед началом синтеза), т. к. пора разница между требуе -

Рис. 3. Подавление в ГЗА помехи, действующей с направлений главного и первого бокового лепестков: сплошная линия - исходная ДН, прерывистая - ДН в результате вдаптации

мым значением усиления и действительным значением усиления доля каждой «цели» достигнет минимума. Количество иаераций можно задввать прогрвммно, либо алгоритм сам прекратит свою работу при достижении минимума.

С использованием синтезированного алгоритма проведен расчет АФР кластера, состоящего из 7 облучателей. Расчет проводился для случая одной помехи в направлении главного лепестка ДН и одной помехи в направлении первого бокового лепестка, результаты приведены на рис. 3.

Таким образом, адаптивная многолучевая ГЗА с разработанным алгоритмом синтеза АФР обеспечивает формирование провала ДН в направлении главного лепестка ДН и в направлении боковых лепестков до минус 45-50 дБ, при этом наблюдается уменьшение уровня сигнала на 10 % - от общей ЗО и имеется незначительный перепад в уровне сигнала в главном лепестке (не более 0,3 дБ) за счет задания требования по уровню сигнала в ЗО, не подверженной воздействию помехи.

2. Алгоритм адаптации гибридно-зеркальной антенны в сложной помеховой обстановке

В исходном состоянии, при отсутствии помех, формируется 7 лучей на различных частотах, позволяющих исключить влияние лучей друг на друга. При превышении порога сигнал/ шум (СШ) в одном из лучей запускается механизм адаптации. Далее перебором возможных вариантов АФР, заложенных в памяти системы, проверяется возможность подавить помеху. Поскольку в ГЗА каждому лучу антенны соответствует определенная ЗО, это позволяет априорно определить направление помехи в небольшой зоне, что сокращает время работы системы по подбору необходимых вариантов подавления помехи [4].

Варианты АФР заблаговременно рассчитываются исходя из нескольких положений «цели». Заложенные в память варианты АФР формируют провалы по гексагональной структуре в пределах главного лепестка ДН антенны по уровню минус 3 дБ. Количество вариантов от 7 до 37

(в зависимости от ширины ДН), что с большой долей вероятности позволит сформировать провал в направлении помехи.

В режиме сформированного кластера (адаптации) в пределах определенного периода времени (возможен любой период, задается программно) система опрашивает пороговое устройство на предмет превышения порогового значения СШ за период времени. Если превышение наблюдалось, то система сохраняет кластер и распределение на нем. Если превышения не было за заданный период, то система возвращается в исходный режим работы (неадаптивный). Это позволяет обеспечить устойчивость адаптивной системы к прерывистым помехам.

Для случая, когда адаптивная система не смогла обеспечить требуемый уровень подавления при стандартном расположении «целей» (по гексагональной структуре), алгоритм рассчитывает координаты положения помехи с учетом следующих рассуждений:

- «цели» для формирования нулей ДН расположены по гексагональной сетке. Координаты каждой «цели» для синте за АФР известны и задаются программно;

- угловая шири на ДН, формируемся антенной, составляет значения 1x1° либо 2x2°;

- для каждой ДН онтенны задаются порядка 19 целей, что гарантирует близкое формирование нуля ДН относите льно помехи;

- таким образом, из набора «целей» существует три, для которых будут получены наилучшие результаты по СШ;

- каждой из них будет получен свой уровень полезного сигнала + сигнал помехи. Находится максимальный и нормируются остальные два относительно него.

Рассмо трим два варианта: уровни сигнала одинаковы; после нормирования были получены значения 0,83 и 0,4°.

Для случая, когда уровни сигнала одинаковы, то ндль ДН должен распо лагаться в центре равностороннего треугольника (рис. 4, н), каждому углу треугольнику соответствует положение «цели». Так кад соотношения сторон и углы известны исходя из координат «целей», то легко можно рассчитать координаты нуля ДН для подавления помехи.

Для второго варианта с неравными уровнями умножаем угол 30° на полученное значения для каждой «цели». Получаем значения 25 и 10°. Добавляем полученные углы к углам наклона

прямыхЛЛ' и СС' соответственно (рис. 4, б). Пересечение прямыхЛЛ' и СС' даст координаты для формирования нуля ДН.

Таким образом, конечной целью работы системы является вычисление координаты помехи и синтез АФР облучающей решетки для ее подавления.

Выше был рассмотрен вариант подавления одной помехи, когда заранее заданные варианты АФР позволяют подавить помеху и обеспечить заданное значение СШ. Для варианта, когда система не с могла подобрать требуемо е АФР, и случая с несколькими помехами данный вариант не подходит, так как с истеме адаптации необходимо будет самой рассчитывать необходимое распреде ление в решетке для подавления нескольких помех по алгоритму приведенному в пункте 1.

Далее рассмотрим еще несколько вариантов помеховой обстановки.

Если несколько помеховых сигналов действуют с близких направлений, то система, используя один клестер и задавая различные варианты подавления сигнала, позволяет реализовать подавлен ие нескольких помех одновременно. Если помехи раенесены на дес таточный у гол, то используется втерой кластер. Для двух помех одновременно система первоначально формирует провал для главного лепестка ДН каждого канала, далее идет по гексагональной решетке. При ьзблюдении порога СШ для одно го из каналов система сохрьгяет угловое положение главного лепестка ДН и продолжает перебор для второй помехи до достижения требуемого подавления. Для ускорения работы всей системы в целом при нахождении положения помехи одним из лучей инфор ация о положении помехи записывается в память системы для работы глгоритма синтеза АФР остальных лз^чей. Это позволит в разы увеличить скорость работы систем ы в целом.

Кроме торе, так как каждый луч адоптивоой ГЗА, по строенояй по кластерной схеме, формирует провал независимо от остальных лучей, те для остальных лучей необходимо обеспечить подавление боковых лепестков ДН, на которые может воздействовать помеха.

АМЦГГ. (грАз Антут. "рч.1

а) б)

Рис. 5. Подавление твех боковых лепесяков ДНценврального руча адаптивной ГЗА: а - исходная ДН; б - ДН после синтеза АФР и подавления боковых лепестков

- 85-41 -

Сделаем предположение для рассматриваемой семерки лучей, в частности для центрального луча № 1, что одновременно с подавленной помехой существует еще одна, положение которой соответствует боковому лепестку центрального луча.

Вторая помеха будет подавляться остальными лучами. В результате синтеза АФР и поиска помехи будут сформированы провалы в ДН и определено положение помехи. Информация о ее положении будет занесена в память системы. Далее для рассматриваемого центрального луча № 1 проводится синтез АФР для подавления бокового лепестка ДН в направлении помехи. На рис. 5 приведены результаты синтеза АФР и подавление трех боковых лепестков ДН.

Таким образом, из полученных результатов можно сделать вывод, что разработанные алгоритмы адаптации ГЗА позволяют подавлять одну помеху в пределах центрального лепестка ДН и до 3-4 помех в пределах боковых лепестков ДН антенны. При этом сохраняется уровень сигнала в остальной ЗО при подавлении 4 помех одновременно.

3. Экспериментальные исследования

Для экспериментальной проверки результатов моделирования и расчетов был создан макет адаптивной МЛА с облучающей системой из 7 конических рупоров (рис. 6, а). Макет состоит из рефлектора, облучателя и несущей конструкции.

Измерения характеристик макета МЛА проводились на сверхширокополосном автоматизированном измерительно-вычислительном комплексе методом ближнего поля (рис. 6, б) для каждого облучателя отдельно, для 7-элементного кластера при равноамплитудном и синфазном распределении облучающей решетки (рис;. 7) и в режиме подавления помехи (рис. 8).

Формирование провала в ДН кластера о существлялось за счет формирования фазы 180° в одном из облучателей антенны.

Как видно из результатов измерения макета адаптивной МЛА, решетка из 7 конических рупоров, запитанных равноамплитудно и синфазне, формирует луч шириной 3x3°, а при запи-тывании одного из рупоров противофазно обеепечивает подавление псмехи на 20-25 дБ. При этом сохраняется уровень сигнала для остальной! ЗО, что подтверждается релультатами моделирования, измерениями макета I"ЗА и соответствует' предъявляемым требованиям к адаптивным антеннам.

Рис. 6. Модель семиэлементного кластера: а - внешний вид; б - измерение ДН в безэховой камере

Заключение

Использование в качестве критерия в алгоритме синтеза АФР в условиях по мех КУ антенны в заданных точках позволяет ограничить размеры целевой функции и длительность синтеза, при этом обеспечивает формирование провалов в ДН до минус 45-50 дБ при незначительном снижении уровне полезного сигнала. Предварительно рассчитанные варианты АФР позволяют существенно ускорить процесс адаптации АР.

Существенно упростить алгоритм синтеза АФР позволяет использование априорной информации о направлении помехи при адаптации к помехам, действующим по боковым лепесткам ДН, получаемой от тех лучей, где помеха действует по главному лепестку.

Таким образом, предложенное построение и алгоритмы адаптации многолучевой OA позволяют реализовать современные требования к ССС с минимальными затратами.

Список литературы

[1] Уидроу Б. Aдаптивная обработка сигналов. М.: Радио и связь, 1989. 440 с.

[2] Тяпкин В.Н., Першин А.С., Дмитриев Д.Д., Мошкина Т.Г. // Вестник Сиб.^У им. акад. М. Ф. Решетнева. 2012. Вып. 2 (42). С. 106-109.

[3] Джунь В.И., Щестняк С.С. // Зарубежная радиоэлектроника. 1988. № 4. С. 3-15.

[4] Першин А.С. // Радиолокация и радиосвязь: Материалы VI Всероссийской конференции. М.: ИРЭ им. ВА. Котельникова РAH. 2012. Ч. 1. С. 58-62.

[5] Першин А.С. // Радиолокация и радиосвязь: Материалы VI Всероссийской конференции. М.: ИРЭ им. ВА. Котельникова РAH. 2012. Ч. 1. С. 76-79.

The Adaptive Algorithm Multibeam Antenna, Built on the Hybrid-Reflector Antenna

Valeriy N. Tyapkin, Dmitriy D. Dmitriev and Aleksandr S. Perschin

Siberian Federal University, 79 Svobodny, Krasnoyarsk, 660041 Russia

The adaptive multibeam antenna that is based on hybrid-reflector antenna with the reflector feed as the antenna array, which used an accelerated algorithm synthesis directivity diagram to suppress the designed noise, using as criteria the antenna directive gain at the given points, and which substantially limit the size of the objective function and duration of the synthesis. An experimental study of the proposed algorithms, and draw conclusions about the possibility of multibeam adaptive hybrid-reflector antennas.

Keywords: adaptation algorithm for noise, multibeam antenna, hybrid-reflector antenna.