Устройство реализации алгоритма управления фазированной антенной решеткой с комплексными весовыми коэффициентами Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

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.

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:

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.

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.

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

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

e

2