Научная статья на тему 'Устройство реализации алгоритма управления фазированной антенной решеткой с комплексными весовыми коэффициентами'

Устройство реализации алгоритма управления фазированной антенной решеткой с комплексными весовыми коэффициентами Текст научной статьи по специальности «Общие и комплексные проблемы естественных и точных наук»

CC BY
71
21
Поделиться
Ключевые слова
ПРИЕМНАЯ МОДУЛЬНАЯ ФАЗИРОВАННАЯ АНТЕННАЯ РЕШЕТКА / КОМПЛЕКСНЫЙ ВЕСОВОЙ КОЭФФИЦИЕНТ / ДИАГРАММА НАПРАВЛЕННОСТИ

Аннотация научной статьи по общим и комплексным проблемам естественных и точных наук, автор научной работы — Велегура Владимир Алексеевич, Крутов Владимир Алексеевич, Титов Вячеслав Юрьевич

Рассматривается модель управления диаграммой направленности приемной модульной фазированной антенной решетки в условиях воздействия помех.

Похожие темы научных работ по общим и комплексным проблемам естественных и точных наук , автор научной работы — Велегура Владимир Алексеевич, Крутов Владимир Алексеевич, Титов Вячеслав Юрьевич,

METHOD FOR DETERMINING THE INTEGRATED DEVICE WEIGHTING BASED IMPLEMENTATIONS OF THE ALGORITHM MANAGEMENT PHASED ARRAY

In this paper the mathematical model of the control of receiver modular phased array under the impact of interference.

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

Текст научной работы на тему «Устройство реализации алгоритма управления фазированной антенной решеткой с комплексными весовыми коэффициентами»

УПРАВЛЕНИЕ, ВЫЧИСЛИТЕЛЬНАЯ ТЕХНИКА И ИНФОРМАТИКА

УДК 004.431

УСТРОЙСТВО РЕАЛИЗАЦИИ АЛГОРИТМА УПРАВЛЕНИЯ ФАЗИРОВАННОЙ АНТЕННОЙ РЕШЕТКОЙ С КОМПЛЕКСНЫМИ ВЕСОВЫМИ КОЭФФИЦИЕНТАМИ

© 2013 г. В.А. Велегура, В.А. Крутое, В.Ю. Титов

Велегура Владимир Алексеевич - канд. техн. наук, доцент, кафедра «Электрические и электронные аппараты», ЮжноРоссийский государственный технический университет (Новочеркасский политехнический институт).

Крутов Владимир Алексеевич - начальник научно-технического отделения, НПО «Специальная техника и связь», Министерство внутренних дел РФ. Тел. 8 (863) 23506-76.

Титов Вячеслав Юрьевич - канд. техн. наук, мл. науч. сотр., НПО «Специальная техника и связь», Министерство внутренних дел РФ. Тел. 8 (863) 235-06-76.

Velegura Vladimir Alekseevich - Candidate of Technical Sciences, assistant professor, department «Electrical and electronic equipment », South-Russia State Technical University (Novocherkassk Polytechnic Institute).

Krutov Vladimir Alekseevich - Head of the Scientific and Technical Branch Federal Governmental Institution «Scientific-Production Association» Special equipment and communication of the Ministry of Internal Affairs of the Russian Federation, the scientific and technical branch (location, Rostov-on-Don). Ph. 8 (863) 235-06-76.

Titov Vyacheslav Jurevich - Candidate of Technical Sciences, Junior Researcher, Federal Governmental Institution «Scientific-Production Association» Special equipment and communication of the Ministry of Internal Affairs of the Russian Federation, the scientific and technical branch (location, Rostov-on-Don). Ph. 8 (863) 235-06-76.

Рассматривается модель управления диаграммой направленности приемной модульной фазированной антенной решетки в условиях воздействия помех.

Ключевые слова: приемная модульная фазированная антенная решетка; комплексный весовой коэффициент; диаграмма направленности.

In this paper the mathematical model of the control of receiver modular phased array under the impact of interference.

Keywords: reception modular phased array antenna; the complex weighting factor; the radiation pattern.

Формирование диаграммы направленности в современных адаптивных к помеховой обстановке модульных фазированных антенных решетках (МФАР) осуществляется с помощью процессоров. Классические процессоры представляют собой устройства, функционирующие во временной области, по принципу переключения многоотводных линий задержки. Команды управления в таких процессорах формируются устройством реализации алгоритма управления (УРАУ), работающим по определенным законам обработки сигналов.

Наиболее распространенные методы борьбы с помехами в адаптивных антенных системах основаны на формировании, по направлению к источнику помехи, минимального значения уровня диаграммы направленности. Одним из таких методов является метод «дерева» нулей.

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

Обозначим через К число источников помех, подлежащих подавлению, через М - число элементов, используемых для формирования главного луча диаграммы направленности. Тогда общее число элементов, требуемое для полноценной работы МФАР, составит N = Ы + К.

Метод, основанный на применении «дерева» нулей, заключается в использовании одинаковых фазовращателей в многослойной структуре. При этом каждый слой будет формировать один нуль диаграммы направленности. Необходимое число фазовращателей для создания «дерева» нулей будет определяться следующим выражением:

N ф = KN -

K (K +1) 2

Каждый нуль в такой структуре может управляться независимо от других нулей. Операции формирования диаграммы направленности МФАР и сканирования главным лучом могут выполняться с помощью слоя М комплексных весовых коэффициентов, следующих за слоями фазовращателей. Указанный способ обладает двумя существенными недостатками. Первый недостаток связан с тем, что число устройств управления, требуемых для подстройки фазовращателей, формирующих нули диаграммы направленности, превышает число степеней свободы. Второй недостаток объясняется ростом числа фазовращателей и линий задержки, что становится конструктивно нецеле-

сообразным ввиду усложнения аппаратуры и приводит к увеличению ее массогабаритных показателей.

Сравнительно недавно стали применяться методы быстрого преобразования Фурье (БПФ) для замены обычных процессоров, работающих во временной области, на эквивалентные процессоры, работающие в частотной области. При таком подходе упрощается аппаратура, так как обработка в частотной области осуществляется с помощью ЭВМ.

Из приведенного анализа следует, что наиболее перспективным методом построения системы управления приемной МФАР является применение в ней процессора, работающего в частотной области. В таких системах функции регулировки фазы выполняют операционные усилители с перестраиваемыми комплексными весовыми коэффициентами.

На примере двухэлементной приемной МФАР, изображенной на рис. 1, рассмотрим принцип определения значений комплексных весовых коэффициентов в УРАУ. Модулями такой антенной системы являются весовые усилители с изменяемым значением комплексных коэффициентов передачи.

Pп ^) = ЛеЩ + таз ] +/ [та2 + та4 ]},

где та1, та2 , та3, та4 - комплексные весовые коэффициенты.

Для того чтобы он был равен сигналу РП ^) - Р^), должны выполняться условия:

та! + таз = 1, та2 + та4 = 0 .

(1)

По отношению к средней точке раскрыва антенной системы помеха появляется с опережением по фазе, равным 2п(1/4^т( п /6) -п /4, в усилителе с весовыми коэффициентами (та3 + /та4 ) и с отставанием по фазе на -п /4 во втором усилителе. Следовательно, помеха на входе будет определяться выражением:

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

N{ехр[/(ю0 -п /4)][та1 + /та2 ]} + + |ехр [/(ю0 +п /4) ][та 3 + /та 4 ]}.

Так как

е / (^

п/4) = Г i®0t(1-i) 1 .

= V2Ге J;

i (®ot/4) = Ге i®0t (1+i) 1

^л/2Ге -J'

Выход приемной МФАР Рис. 1

Предположим, что принимаемый полезный сигнал приходит к двухэлементной приемной МФАР по направлению нормали к линии, соединяющей излучающие элементы МФАР под углом 0 - 0, а под углом 0 - п /6 из точки $ приходит сигнал помехи [1]. Для простоты полагается, что полезный сигнал и помеха имеют одинаковую частоту /0. Кроме того, для упрощения анализа считается, что в точке, расположенной точно посередине между элементами решетки, полезный сигнал и помеха находятся в фазе. Сигналы от каждого излучающего элемента поступают на весовые усилители с изменяемыми комплексными коэффициентами передачи, образуя выходной сигнал антенной решетки.

Рассмотрим теперь, как с помощью подстройки комплексных весов можно повысить эффективность приема полезного сигнала р(0 и подавить помеху /(/).

Полезный сигнал на входе решетки определяется выражением [1]

то для получения на выходе решетки нулевого значения сигнала помехи необходимо, чтобы выполнялись условия:

та1 + та 2 + та3 - та 4 - 0 , -та1 + та2 + та3 - та 4 - 0 . (2)

Из совместного решения (1) и (2) получим: та1 - 1/2, та2 - -1/2 , та3 - -1/2 , та4 - 1/2.

При указанных весовых коэффициентах двухэлементная приемная МФАР будет принимать сигнал с максимальным уровнем по направлению прихода полезного сигнала и минимальным уровнем по направлению воздействия помехи.

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

Несмотря на то что комплексные весовые коэффициенты для получения требуемой диаграммы направленности могут быть найдены с помощью указанных вычислений, при практической реализации необходимо учесть ряд ограничений. Метод, описанный в примере, основан на предположениях, что источник и помехи действуют только с одного направления, полезный сигнал и помеха являются монохроматическими, и на использовании априорной информации о частоте и угловых координатах каждого источника. Следовательно, предложенный вариант борьбы с помехами может применяться только при наличии подробного описания характеристик всех источников сигналов.

Вместе с тем описанная схема построения системы управления МФАР позволяет учитывать эффекты, связанные с задержкой распределения по раскрыву МФАР при подборе оптимальных значений комплексных коэффициентов и расчете спектральной плотности принятого полезного сигнала.

е

Рассмотрим простую двухэлементную модель МФАР, показанную на рис. 2. Необходимо выбрать такое значение , которое обеспечивает на выходе МФАР минимальную мощность Р0 помехи от точечного источника.

E{|x,(ra)|2 [e"]} = 0,

(3)

где E {.} означает усреднение по частоте.

венство:

E{exp(-уют) = 0 .

(4)

Выходная мощность принимаемого сигнала МФАР определяется следующим выражением:

лВ

Р0 = \ ФRR (ю ю ,

-лВ

где фRR (ю, 0) = е •уют-'га1 ф(ю) - выходная спектральная плотность, а ф^ (ю) - спектральная плотность помехи от точечного источника.

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

Если полагать, что в полосе частот полезного сигнала ф^ (ю) =1 (так что = 2лВ ), то с учетом (3) и (4) получим:

nB

P = J

-nB

- уют

sin(nBT)

или

P=1 -

Pr

пВт

sin(nBT) nB т

d ю

где PJ - мощность помехи.

Устройство, реализующее алгоритм управления фазированной антенной решеткой с комплексными весовыми коэффициентам, может быть выполнено по схеме, изображенной на рис. 3.

Я(со, 9) Рис. 2

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

Поскольку в частотной области [2] х2(ю) = х1(ю)ехр(-у ют),

то определение значения может рассматриваться как задача получения наилучшей оценки (в смысле наименьшей среды квадратической ошибки) для х1 (ю) = х1 (ю) {ехр(-уют) - ^}.

Чтобы значение весового коэффициента было оптимальным, ошибка оценки должна быть ортогональна сигналу х1(ю), т. е. должно выполняться условие:

Если значение |х1(ю)| постоянно и не зависит от

частоты, то из рассмотренного условия ортогональности следует, что для должно удовлетворяться ра-

В случае, когда спектр сигнала имеет прямоугольную форму в полосе частот -лВ < ю < лВ , значение будет иметь вид = [^т(лВт)] / (лВт).

Рис. 3

Элементы фазированной решетки подключаются к СВЧ-модулям 1, 2 с комплексным коэффициентом передачи, амплитудные и фазовые параметры которых управляются по цифровому каналу с помощью микроконтроллера 3.

Обратная связь в системе управления замыкается от сумматора на микроконтроллер через детектор и аналогово-цифровой преобразователь 4.

Литература

1. Мозинго Р.А., Миллер Т.У. Адаптивные антенные решетки: введение в теорию: пер. с англ. М., 1986. 448 с.

2. Bolt R.H., Burke T.F. A survey report on basic problems of acoustics research. Panel on undersea warfare, National research council, 1950.

Поступила в редакцию

1 апреля 2013 г.

2

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

e

2