Амплитудно-фазовое распределение гибридно-зеркальной антенны космических аппаратов Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

УДК 621.396.669.8

АМПЛИТУДНО-ФАЗОВОЕ РАСПРЕДЕЛЕНИЕ ГИБРИДНО-ЗЕРКАЛЬНОЙ АНТЕННЫ

КОСМИЧЕСКИХ АППАРАТОВ

И. C. Ростовцев Научный руководитель - В. И. Серенков

Сибирский государственный аэрокосмический университет имени академика М. Ф. Решетнева

Российская Федерация, 660037, г. Красноярск, просп. им. газ. «Красноярский рабочий», 31

E-mail: [email protected]

Предложен метод синтеза амплитудно-фазового распределения гибридно-зеркальной антенны с облучателем в виде антенной решетки, обеспечивающий формирование контурной зоны обслуживания и провалов диаграммы направленности в направлении не менее чем на три источника помехо-вого сигнала.

Ключевые слова: адаптивная антенная решетка, алгоритм адаптации, многолучевая антенна, гибридно-зеркальная антенна.

THE AMPLITUDE-PHASE DISTRIBUTION OF HYBRID REFLECTOR ANTENNAS SPACECRAFT

I. S. Rostovtsev Scientific Supervisor - V. I. Serenkov

Reshetnev Siberian State Aerospace University 31, Krasnoyarsky Rabochy Av., Krasnoyarsk, 660037, Russian Federation

E-mail: [email protected]

A method for the synthesis of the amplitude-phase distribution of the hybrid-reflector antenna with the feed in the form of an antenna array, which provides service area contour formation and failures in the direction of the directional pattern of at least three interference signal sources.

Keywords: adaptive antenna array, adaptation algorithm, multi beam antenna, hybrid-reflector antenna.

В настоящее время определены основные требования к перспективным системам спутниковой связи: 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 в пределах зоны ответственности, высокая помехоустойчивость при воздействии как преднамеренных, так и индустриальных помех [1-2].

Параметры ААР достигаются необходимым выбором ВК Wr(t), включённых между антенными элементами i = 1, ..., N и общим сумматором. ВК обеспечивают соответствующее формирование суммарной ДН, представляющей собой отклик на сигнал заданной поляризации. В то же время их предназначение можно интерпретировать как задачу формирования таких соотношений между принимаемым в каждом из i = 1, ..., антенных элементов полезным сигналом s(t), суммой J узкополосных анизотропных помех и шумом v(t) [6]:

хг (t) = s(t) + ^п1} (t) + v(t); i = 1,..., N, (1)

j=1

которые после сложения на общем сумматоре позволяют обеспечить желаемое свойство суммы (1) с помощью набора весовых коэффициентов WT(t), рассматриваемых как компоненты вектора:

Актуальные проблемы авиации и космонавтики - 2016. Том 1

WT(t) = К(0,w2(0, ..., (t)]. (2)

В общем случае вектор WT(t) должен обладать возможностью изменения как амплитуды, так и фазы принимаемых сигналов, т. е. быть комплексным. При этом скорость его изменения должна быть согласована со скоростью изменения сигнально-помеховой ситуации, а диапазон этих изменений согласован с динамическим диапазоном изменений уровней сигналов и фазовых соотношений в различных элементах ААР.

На выходе общего сумматора ААР взвешена сумма сигналов в каждом канале:

y(t) = (WT (t),X* (t)) = w • x (t) + w2(t) • X2(t) +... + wN • xn (t). (3)

При этом суммарная ДН как таковая может вообще не рассматриваться, хотя как промежуточная характеристика она, безусловно, представляет интерес. Так, ДН ААР может быть получена с помощью скалярного произведения WT(t) на вектор AT(0):

F (t) = (WT (t), A*T (0). (4)

ВК, необходимые для адаптивной пространственной обработки, могут быть сформированы по определённым алгоритмам [4; 5], с помощью процессора или аналоговых устройств. Выбор алгоритма определяется количеством сведений о принимаемом сигнале. Если известно направление на источник сигнала, то необходимо так вычислять ВК, чтобы обеспечить на выходе максимум отношения сигнал - помеха. Если известна структура сигнала, но неизвестно направление на абонента, используется алгоритм МСКО, обеспечивающий минимальную среднеквадратическую ошибку между ожидаемым и принимаемым сигналом. Если неизвестна ни структура сигнала, ни направление на корреспондента, ВК устанавливаются таким образом, чтобы уровень помех на входе был минимальным.

Наиболее часто применяемыми критериями эффективности [3] являются: максимум отношения полезного сигнала к сумме помех на выходе системы адаптации; минимум среднего квадрата отклонения принятого сигнала от заданного эталонного уэ(0; минимум мощности помех на выходе; максимум правдоподобия и др.

Функция /(W), описывающая изменение показателя эффективности в зависимости от значений УВК, называется целевой. Целевая функция зависит от входных и выходных сигналов системы адаптации и от сигналов управления, т. е. / = /(X, у, W, Uy).

Рассмотрим целевую функцию /(W), используемую для решения задач оценивания (классической фильтрации). В этом случае цель адаптации состоит в обработке входных и выходных сигналов ААР таким образом, чтобы отфильтровать (подавить) помехи. Поэтому в целевую функцию включаются входные сигналы X (t), выходной сигнал y(t) и ВК WT(t), т. е. / = /(X, y, W). Структурная схема ААР, которая основана на реализации данного типа целевых функций, показана на рисунке 1.

>

W

1

Рис. 1. Структурная схема ААР

Максимальное значение легко найти с помощью преобразования системы координат. Положительно определенная эрмитова матрица с помощью невырожденного преобразования может быть приведена к диагональному виду. Это преобразование может быть выбрано так, чтобы шумовые составляющие на выходах всех каналов были некоррелированными и имели одинаковую мощность. Обозначим матрицу такого преобразования через А:

s' = A • s, n' = A • n,

(5)

где s', n' - преобразованные величины.

Тогда составляющие сигнала и шума на выходе антенной решетки будут соответственно определяться выражениями:

уз = w'T8'' = w'T А • 8,

уп = w'тп' = w'т А • п.

т

(6)

Структурная схема антенной решетки с линейным преобразованием, реализующей критерий отношение сигнал/шум, приведена на рис. 2.

Выход антенной решетки,

Рис. 2. Структурная схема АР с линейным преобразованием

Максимальное ОСШ будет иметь следующий вид

ОСШтах = 81 .

(7)

Синтез алгоритмов вычисления ВК может быть обобщён. Это обобщение может быть распространено и на нелинейные задачи. В этом случае должно быть учтено наличие нелинейности амплитудной и фазовой характеристик в N каналах приёма, ограничение динамического диапазона этих каналов и т. п. Нелинейным может оказаться и уравнение состояния.

Библиографические ссылки

1. Тяпкин В. Н., Дмитриев Д. Д., Першин А. С. // Журнал Сибирского федерального университета. Серия: Техника и технологии. 2013 Т. 6. № 7, С. 835-844.

2. Джиган В. И., Плетнева И. Д. Телекоммуникации. 2008. С. 2-9.

3. Карцан И. Н., Карцан Р. В., Ефремова С. В. // Решетневские чтения : материалы Междунар. науч.-практ. конф. 2013. Т. 1. № 17. С. 178-179.

4. Тяпкин В. Н., Першин А. С., Дмитриев Д. Д., Мошкина Т. Г. // Вестник СибГАУ. 2012. № 2. С. 106-109.

5. Серенков В. И., Карцан И. Н., Дмитриев Д. Д. // Вестник СибГАУ. 2015. Т. 16, № 3. С. 664-669.

© Ростовцев И. С., 2016