самофазирующаяся антенная решетка

Формула изобретения

Самофазирующаяся антенная решетка (СФАР), содержащая N антенных элементов, диаграммообразующую схему (ДОС) матричного типа, имеющую N входов и N выходов, N-канальный сумматор, выход которого является выходом СФАР, и N цепей фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ) с общим гетеродином и общим генератором опорного сигнала, при этом антенные элементы соединены с соответствующими входами ДОС, каждый выход которой соединен с входом соответствующей цепи ФАПЧ, являющимся одновременно входом соответствующего первого смесителя, выход каждой цепи ФАПЧ, являющийся одновременно выходом соответствующего первого смесителя, соединен с соответствующим входом N-канального сумматора, при этом каждая из цепей ФАПЧ включает в себя интегратор, генератор, управляемый напряжением (ГУН), и последовательно соединенные первый смеситель, второй смеситель, первый полосовой фильтр, устройство свертки спектра сигнала, состоящее из последовательно соединенных умножителя частоты на m, второго полосового фильтра и делителя частоты на m, и фазовый детектор (ФД), выход которого соединен через последовательно соединенные интегратор и ГУН со вторым входом первого смесителя, при этом второй вход каждого ФД соединен с выходом общего генератора опорного сигнала, а второй вход каждого второго смесителя соединен с выходом общего гетеродина, отличающаяся тем, что введены N управляемых ключей, включенных в разрыв между выходом первого смесителя и соответствующим входом N-канального сумматора, N первых амплитудных детекторов, вход каждого из которых параллельно соединен с входом соответствующего управляемого ключа и с выходом первого смесителя, N компараторов, первый вход каждого из которых соединен с выходом соответствующего первого амплитудного детектора, а выход - с управляющим входом соответствующего ключа, делитель мощности на 2N, выход которого соединен с вторыми входами компараторов, и второй амплитудный детектор, вход которого параллельно соединен с выходом N-канального сумматора, а выход - с входом делителя мощности на 2N, где m - позиционность фазоманипулированного сигнала.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области антенной техники и предназначено для использования в радиотехнических системах различного назначения, в частности в цифровых системах связи в качестве приемной адаптивной антенны.

Известны самофазирующиеся антенные решетки (СФАР) [1, 2], используемые в системах спутниковой и мобильной связи, содержащие N антенных элементов с индивидуальными цепями гетеродинной фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ), с общим гетеродином и общим генератором опорного сигнала, и N-канальный сумматор, выход которого является выходом СФАР.

Существенными недостатками этих СФАР является относительно низкая чувствительность, под которой понимается минимальное значение отношения сигнала к шуму в раскрыве антенной решетки, необходимое для того, чтобы положить начало процессу самофазирования, и низкая помехозащищенность.

Действительно в известных самофазирующихся антенных решетках процесс самофазирования зависит от отношения сигнала к шуму (ОСШ) на входе фазового детектора, которое должно быть больше единицы. Поскольку для обеспечения широкого сектора обзора пространства используются слабонаправленные антенные элементы с коэффициентом усиления порядка единицы, эти самофазирующиеся антенные решетки не позволяют осуществлять прием сигналов с ОСШ в раскрыве антенной решетки меньше единицы.

Наиболее существенно этот недостаток проявляется при приеме широкополосных цифровых сигналов.

Наиболее близкой по технической сущности к заявляемому изобретению является выбранная в качестве прототипа СФАР [3], содержащая N антенных элементов, диаграммообразующую схему (ДОС) матричного типа, количество входов и выходов которой соответствует числу антенных элементов, N цепей ФАПЧ с общим гетеродином и общим генератором опорного сигнала, и N-канальный сумматор, при этом антенные элементы соединены с соответствующими входами ДОС, каждый выход которой соединен с входом соответствующей цепи ФАПЧ, выход каждой цепи ФАПЧ, являющийся одновременно выходом соответствующего первого смесителя соединен с соответствующим входом N-канального сумматора, при этом каждая из цепей ФАПЧ включает в себя интегратор, генератор управляемый напряжением (ГУН) и последовательно соединенные первый смеситель, второй смеситель, первый полосовой фильтр, устройство свертки спектра сигнала, состоящее из последовательно соединенных умножителя частоты на m , второго полосового фильтра и делителя частоты на m , и фазовый детектор, выход которого соединен через последовательно соединенные интегратор и ГУН со вторым входом первого смесителя, при этом второй вход каждого ФД соединен с выходом общего генератора опорного сигнала, а второй вход каждого второго смесителя соединен с выходом общего гетеродина, где m - позиционность фазоманипулированного сигнала.

Введенные в схему данной самофазирующей антенной решетки ДОС и устройства свертки спектра сигнала повышают ее чувствительность, т.е. обеспечивают возможность работы при ОСШ в раскрыве антенной решетки, близких к единице, а наличие в устройствах свертки спектров сигналов узкополосных фильтров улучшает защищенность СФАР от сосредоточенных по спектру шумов. Однако и в этой СФАР потенциальные возможности повышения помехозащищенности реализованы далеко не полностью. Ее низкая помехозащищенность обусловлена тем, что сформированные ДОС парциальные лучи многолучевой диаграммы направленности (ДН), занимая широкий сектор одновременного обзора пространства, не в равной степени участвуют в формировании суммарного сигнала. Лучи, направления максимального приема которых далеки от направления на источник излучения полезного сигнала, не внося практически вклада в сигнальную составляющую суммарного сигнала, вносят значительный вклад в его шумовую составляющую, снижая тем самым результирующее значение ОСШ.

Техническая задача изобретения - повышение помехозащищенности СФАР.

Задача достигается тем, что в известной СФАР, содержащей N антенных элементов, диаграммообразующую схему матричного типа, имеющую N входов и N выходов, N-канальный сумматор, выход которого является выходом СФАР, и N цепей ФАПЧ с общим гетеродином и общим генератором опорного сигнала, при этом антенные элементы соединены с соответствующими входами ДОС, каждый выход которой соединен с входом соответствующей цепи ФАПЧ, являющимся одновременно входом соответствующего первого смесителя, выход каждой цепи ФАПЧ, являющийся одновременно выходом соответствующего первого смесителя соединен с соответствующим входом N-канального сумматора, при этом каждая из цепей ФАПЧ включает в себя интегратор, генератор управляемый напряжением (ГУН) и последовательно соединенные первый смеситель, второй смеситель, первый полосовой фильтр, устройство свертки спектра сигнала, состоящее из последовательно соединенных умножителя частоты на m , второго полосового фильтра и делителя частоты на "m , и фазовый детектор (ФД), выход которого соединен через последовательно соединенные интегратор и ГУН со вторым входом первого смесителя, при этом второй вход каждого ФД соединен с выходом общего генератора опорного сигнала, а второй вход каждого второго смесителя соединен с выходом общего гетеродина, согласно изобретению введены N управляемых ключей, включенных в разрыв между выходом первого смесителя и соответствующим входом N-канального сумматора, N первых амплитудных детекторов, вход каждого из которых параллельно соединен с входом соответствующего управляемого ключа и с выходом первого смесителя, N компараторов, первый вход каждого из которых соединен с выходом соответствующего первого амплитудного детектора, а выход - с управляющим входом соответствующего ключа, делитель мощности на 2N , выход которого соединен с вторыми входами компараторов, и второй амплитудный детектор, вход которого параллельно соединен с выходом N-канального сумматора, а выход с входом делителя мощности на 2N", где m - позиционность фазоманипулированного сигнала.

Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что предлагаемая самофазирующаяся антенная решетка отличается наличием новых элементов и новыми связями между ними - введены N управляемых ключей, включенных в разрыв между выходом первого смесителя и входом N-канального сумматора, N первых амплитудных детекторов, вход каждого из которых параллельно соединен с входом соответствующего управляемого ключа и с выходом первого смесителя, N компараторов, первый вход каждого из которых соединен с выходом соответствующего первого амплитудного детектора, а выход - с управляющим входом соответствующего управляемого ключа, делитель мощности на 2N , выход которого соединен с вторыми входами компараторов, и второй амплитудный детектор, вход которого соединен с выходом N-канального сумматора, а выход - с входом делителя мощности на 2N".

Таким образом, изобретение соответствует критерию изобретения новизна .

Анализ известных технических решений в известной области и смежной с ней позволяет сделать вывод, что введенные элементы известны. Однако введение N управляемых ключей, N первых амплитудных детекторов, N компараторов, делителя мощности на 2N и второго амплитудного детектора, включенных в схему СФАР указанным способом, обеспечивают устройству такие новые свойства, как автоматическую отбраковку при суммировании тех каналов СФАР, которые, не внося существенного вклада в сигнальную составляющую суммарного сигнала, значительно увеличивают его шумовую составляющую, что, в конечном итоге, ведет к существенному повышению помехозащищенности СФАР (увеличению результирующего отношения сигнал/шум).

Изобретение имеет изобретательский уровень, так как оно для специалиста явным образом не следует из уровня техники.

Изобретение является промышленно применимым, так как оно может быть использовано в различных областях народного хозяйства.

На чертеже представлена структурная схема предлагаемой самофазирующейся антенной решетки, где

1 - антенный элемент;

2 - диаграммообразующая схема (ДОС);

3 - N-канальный сумматор;

4 - цепь ФАПЧ;

5 - первый смеситель;

6 - второй смеситель;

7 - первый полосовой фильтр;

8 - устройство свертки спектра сигнала;

9 - умножитель частоты на m";

10 - второй полосовой фильтр;

11 - делитель частоты на m";

12 - фазовый детектор (ФД);

13 - интегратор;

14 - ГУН;

15 - гетеродин;

16 - генератор опорного сигнала;

17 - управляемый ключ;

18 - первый амплитудный детектор;

19 - компаратор;

20 - делитель мощности на 2N";

21 - второй амплитудный детектор.

Самофазирующаяся антенная решетка содержит N антенных элементов 1, диаграммообразующую схему матричного типа 2, имеющую N входов и N выходов, N-канальный сумматор 3, выход которого является выходом СФАР, N управляемых ключей 17, N первых амплитудных детекторов 18, N компараторов 19, делитель мощности на 2N 20, второй амплитудный детектор 21 и N цепей ФАПЧ 4 с общим гетеродином 15 и общим генератором опорного сигнала 16. При этом антенные элементы 1 соединены с соответствующими входами ДОС 2, каждый выход которой соединен с входом соответствующей цепи ФАПЧ 4, являющимся одновременно входом соответствующего первого смесителя 5. Выход каждой цепи ФАПЧ 4, являющийся одновременно выходом соответствующего первого смесителя 5, соединен с входом соответствующего управляемого ключа 17, выход которого соединен с соответствующим входом сумматора 3. Вход каждого из N амплитудных детекторов 18 параллельно соединен с входом соответствующего управляемого ключа 17 и с выходом соответствующего первого смесителя 5, а выход - с первым входом соответствующего компаратора 19, выход которого соединен с управляющим входом соответствующего управляемого ключа 17. Второй вход каждого компаратора 19 соединен с общим выходом делителя мощности на 2N 20, вход которого соединен с выходом второго амплитудного детектора 21. Вход второго амплитудного детектора 21 параллельно соединен в выходом сумматора 3. Каждая из цепей ФАПЧ 4 включает в себя интегратор 13, ГУН 14 и последовательно соединенные первый смеситель 5, второй смеситель 6, первый полосовой фильтр 7, устройство свертки спектра сигнала 8, состоящее из последовательно соединенных умножителя частоты на m 9, второго полосового фильтра 10 и делителя частоты на m 11, и фазовый детектор 12, выход которого соединен через последовательно соединенные интегратор 13 и ГУН 14 со вторым входом первого смесителя 5. Второй вход каждого ФД 12 соединен с выходом общего генератора опорного сигнала 16, а второй вход каждого второго смесителя 6 соединен с выходом общего гетеродина 15.

СФАР работает следующим образом.

Смесь сигнала и шума, принятая каждым отдельным антенным элементом 1, поступает на соответствующий ему вход ДОС 2, которая осуществляет организованное фазирование и когерентное суммирование сигнала. В результате на каждом ее выходе (на входе каждой цепи ФАПЧ 4) формируется суммарный сигнал от всех антенных элементов 1 и, как следствие, отношение сигнала к шуму возрастает в N раз, т.е. в N раз повышается чувствительность СФАР. Это возрастание получается вследствие того, что шумы от различных антенных элементов 1 складываются не когерентно (по мощности), в то время как полезные сигналы складываются когерентно (по напряжению) [1]. При этом следует отметить, что уровни сигнала на выходах ДОС 2 будут различны. Это обусловлено тем, что в результате организованного фазирования сигналов с антенных элементов 1 диаграммообразующей схемой 2 в пространстве формируются N пересекающихся по уровню половинной мощности парциальных диаграмм направленности (парциальных лучей) с определенным направлением максимального приема сигнала. При этом каждому выходу ДОС 2 соответствует свой парциальный луч. На тех выходах ДОС 2, которым соответствуют парциальные лучи с направлением максимального приема близкими к направлению на источник излучения уровни сигнала будут выше, а на остальных - ниже. Причем уровни сигнала на выходах ДОС 2 будут уменьшаться по мере удаления соответствующих им парциальных лучей от направления на источник излучения весьма значительно.

Просуммированный со всех антенных элементов 1 сигнал с каждого из N выходов ДОС 2 поступает на вход соответствующей цепи ФАПЧ 4 (первый вход первого смесителя 5). С выхода смесителя 5 сигнал одновременно подается на соответствующий вход N-канального сумматора 3 через открытые управляемые ключи 17, на вход первого амплитудного детектора 18 и вход второго смесителя 6 цепи ФАПЧ 4.

Если волновой фронт падающей от источника излучения электромагнитной волны расположен под некоторым углом относительно нормали к плоскости раскрыва СФАР, то первоначально сигналы, поступающие с выхода каждого первого смесителя 5 на входы N-канального сумматора 3, суммируются им с произвольной фазой, определяемой положением волнового фронта падающей волны и начальными фазами антенных элементов 1 и ДОС 2. Одновременно вторая часть сигнала с выхода каждого первого смесителя 5 подвергается процессу автоматического фазирования и подстройки частоты цепями ФАПЧ 4. При этом задача фазирования состоит в том, чтобы сигналы, поступающие на входы N-канального сумматора 3 со всех цепей ФАПЧ 4, имели одинаковые фазы и суммировались им когерентно. Рассмотрим процесс автоматического фазирования сигналов на примере работы одной из i=1, 2, 3... N цепей ФАПЧ 4. Предположим, что полоса частот информационного сигнала S равна 10 МГц ( f_s=10 МГц), а несущая частота f_s=1500 МГц. Каждая i-я цепь ФАПЧ 4 включает первый смеситель 5 и второй смеситель 6, на который подается сигнал от общего гетеродина 15, частота которого f₁ обычно выбирается в пределах 10-100 МГц. Такое двойное преобразование частоты обеспечивает последовательное снижение промежуточной частоты до частоты f₂ опорного генератора 16 и упрощает тем самым реализацию последующих процессов. Генератор опорного сигнала 16, также общий для всех цепей ФАПЧ 4, генерирует низкочастотный сигнал с частотой f₂, лежащей в диапазоне порядка 5-50 кГц, с целью сравнения его фазы с фазой информационного сигнала в ФД 12.

Информационный сигнал S, принятый антенными элементами 1 и просуммированный на одном из i-тых выходов ДОС 2, поступает на первый вход первого смесителя 5 с частотой и фазой , а на второй его вход поступает сигнал от ГУН 14 с частотой и фазой . В результате на выходе образуется разностный сигнал более низкой частоты, который и подается на соответствующий вход N-канального сумматора 3, выход которого является выходом СФАР.

Этот же сигнал поступает на первый вход второго смесителя 6, а на второй его вход подается сигнал от общего гетеродина 15 с частотой f₁ и фазой ₁. Смеситель 6 обеспечивает подавление зеркального канала, предотвращая возрастание уровня собственных шумов. С его выхода сигнал, имеющий дважды сдвинутую фазу и частоту близкую к частоте f₂ опорного генератора 16, поступает на вход первого полосового фильтра 7, центральная частота полосы пропускания f_nф1 которого настроена на частоту f₂ опорного генератора 16.

При этом полоса пропускания первого полосового фильтра 7 выбирается не менее полосы частот информационного сигнала, т.е. f_nф1 f_s.

С выхода первого полосового фильтра 7 сигнал с частотой, близкой к f₂, полосой частот f_s и дважды сдвинутой фазой , поступает на вход устройства свертки спектра сигнала 8.

В устройстве свертки спектра сигнала 8 происходит умножение частотного спектра фазоманипулированного цифрового сигнала на число "m", равное позиционности фазоманипулированного сигнала, в результате чего информационные скачки фазы сигнала приводятся к значениям, кратным 180 , т.е. происходит снятие манипуляции сигнала, чему в частотной области соответствует свертка спектра сигнала в несущую частоту mf₂ с сохранением его суммарной мощности. Затем производится фильтрация свернутого сигнала на частоте mf₂ вторым (более узкополосным) полосовым фильтром 10, т.е. производится резкое обужение шумовой полосы обрабатываемого сигнала, что при сохранении его суммарной мощности обусловливает увеличение ОСШ на входе фазового детектора 12, а следовательно, увеличение чувствительности СФАР, в число раз, близкое к отношению f_s/ f_nф2, где f_s - полоса частот информационного сигнала, f_nф2 - полоса пропускания второго полосового фильтра 10. Далее производится деление частоты mf₂ сигнала делителем частоты на m 11, т.е. восстановление несущей частоты, а следовательно, и информации о начальной фазе исходного сигнала.

С выхода устройства свертки спектра сигнала 8, сигнал с центральной частотой, близкой к частоте f₂ опорного генератора 16, полосой частот << f_s и фазой , поступает на первый вход ФД 12, а на второй его вход подается сигнал от общего опорного генератора 16 с частотой ₂ и фазой ₂. При этом электрические длины трактов от опорного генератора 16 до входов всех ФД 12 выбраны из условия равенства фаз ₂ во всех цепях ФАПЧ 4. В ФД 12 происходит сравнение фаз этих сигналов и при их несовпадении вырабатывается сигнал ошибки, поступающий на вход интегратора 13, где преобразуется в постоянное напряжение и подается на вход ГУН 14, вызывает перестройку его частоты с на и фазы с на . Этот процесс будет продолжаться до тех пор, пока фаза информационного сигнала на входе ФД 12 не совпадет с фазой ₂ опорного генератора 16, т.е. . При этом на выходе первого смесителя 5 каждой i-й цепи ФАПЧ (входе каждого i-го канала N-канального сумматора 3) фаза сигнала будет , т.е. будет равно сумме фаз сигналов общего опорного генератора 16 и общего гетеродина 15. Следовательно, сигналы от всех ветвей ФАПЧ 4 будут подаваться на входы N-канального сумматора 3 с одинаковой фазой = ₁+ ₂. На этом процесс самофазирования антенной решетки заканчивается. В результате в пространстве формируется результирующий луч (результирующая ДН) СФАР, направление максимального приема которого совпадает с направлением на источник излучения сигнала.

Одновременно с процессом самофазирования осуществляется оценка уровня сигнала во входных каналах N-канального сумматора 3 и исключение из процесса суммирования каналов, уровень сигнала в которых U_ci ниже порогового значения U_n, т.е. U_ci U_n. В основу отбраковки каналов положен тот факт, что при линейном сложении сигналы, амплитуда которых U_ci по величине меньше половины средней амплитуды суммарного сигнала , не вносят существенного вклада в сигнальную составляющую суммарного сигнала, а увеличивают шумовую составляющую. Следовательно, для повышения результирующего значения ОСШ они должны быть исключены из процесса суммирования, при этом пороговое значение определяется как

.

С этой целью сигнал с выхода каждого смесителя 5 подается одновременно через открытые управляемые ключи 17 на соответствующие входы N-канального сумматора 3 и входы соответствующих первых амплитудных детекторов 18. Продетектированные первыми амплитудными детекторами 18 сигналы U_ci поступают на первые входы соответствующих компараторов 19, на вторые входы подается суммарный сигнал U /2N с выхода N-канального сумматора 3, продетектированный вторым амплитудным детектором 21 и поделенный делителем мощности на 2N 20. В компараторе 19 этот уровень сигнала U /2N=U_n сравнивается с уровнем сигнала U_ci соответствующего входного канала N-канального сумматора 3, продетектированного первым амплитудным детектором 18. Если уровень сигнала U_ci меньше порогового значения, компаратор 19 формирует напряжение, выключающее соответствующий управляемый ключ 17.

Оценим помехозащищенность СФАР по изобретению по сравнению с помехозащищенностью СФАР-прототипом.

Учитывая, что после фазирования сигналы складываются когерентно, а шумы не когерентно значения суммарной мощности сигнала Р _c и шума P _ш на выходе СФАР - прототипа запишем в следующем виде

,

где М - количество каналов без сигнала, либо каналов с U_ci U_n.

Предположим, что мощности сигнала и мощности шума во всех каналах СФАР одинаковы, т.е. P_ci=P_c, P_шi=P_ш, тогда отношение сигнал/шум ₁ на выходе СФАР-прототипа составит

.

Суммарные мощности сигнала и шума на выходе СФАР по изобретению оцениваются выражениями

,

С учетом допущения принятого для СФАР-прототипа выражение для отношения сигнал/шум СФАР по изобретению ₂ будет иметь вид

Тогда выигрыш = ₂/ ₁ в отношении мощности сигнала к мощности шума СФАР по изобретению ₂ по сравнению с отношением мощности сигнала к мощности шума ₁ СФАР-прототипа составит

Из выражения следует, что величина выигрыша в отношении сигнал/шум СФАР по изобретению по сравнению с СФАР-прототипом увеличивается с увеличением количества отбракованных каналов М. В большинстве практических случаев используются ДОС, содержащие от 8 до 64 каналов (N), при этом эффективно в формировании суммарного сигнала участвуют от 3 до 6 лучей ДН (N-M), наиболее близких к направлению на источник излучения. Следовательно, ожидаемый выигрыш в ОСШ, получаемый за счет отбраковки каналов, лежит в пределах от 3 до 9 дБ.

Для реализации управляемых ключей 17 использованы диоды СВЧ 2А536А-5. Амплитудные детекторы 18 и 21 выполнены на микросхемах AD8313, компараторы 19 - на микросхемах AD96687. Делитель мощности на "2N" 20 - резистивный делитель.

Результаты макетирования и экспериментального исследования показали, что предложенное техническое решение, по сравнению с прототипом, обеспечивает существенное повышение помехозащищенности СФАР. При этом выигрыш в отношении сигнал/шум находится в близком соответствии с теоретической оценкой.

Источники информации

1. "Сканирующие антенны системы СВЧ"/Пер с англ. Под ред. Г.Т. Маркова и А.Ф. Чаплина, т.III. - М.: "Сов. радио", 1971, с.383-410.

2. WO 88/03333, кл. Н 01 G 3/42, 3/26.

3. RU № 2177193 С1, кл. Н 01 G 21/00.