Патент на изобретение №2311708

(54) АВТОНОМНАЯ СИСТЕМА ЗАЩИТЫ СТАНЦИЙ С ЗЕРКАЛЬНО-ПАРАБОЛИЧЕСКИМИ АНТЕННАМИ ОТ ВОЗДЕЙСТВИЯ ПОМЕХОВЫХ СИГНАЛОВ И СПОСОБ ЕЕ ПОСТРОЕНИЯ

(57) Реферат:

Изобретение относится к устройствам радиоэлектронной техники. Техническим результатом является повышение помехозащищенности различных радиосистем. Автономная система защиты станции с зеркально-параболической антенной от воздействия помеховых сигналов при известных стабильных направлениях прихода помеховых сигналов и неподвижной антенне содержит пассивные рассеиватели, которые выполнены как из металла, так и из диэлектрика в виде рассеивающих накладок и смонтированы на внутренней зеркальной поверхности параболического отражателя, а для подавления перемещающихся в пространстве помеховых сигналов в реальном масштабе времени автономная система защиты содержит рассеиватели, которые выполнены в виде группы или групп слабонаправленных антенн, образующих малоэлементную разреженную неэквидистантную фазированную антенную решетку отражательного типа, размещаемую на внутренней зеркальной поверхности параболического отражателя, фазовращатели, блок управления фазовращателями, процессор, автономный источник питания, при этом геометрию рассеивателей: размеры, тип, количество рассеивателей, и координаты их размещения на зеркальной поверхности параболического отражателя определяют по соответствующим формулам. 2 н.п. ф-лы, 10 ил._q, _q) (q=1,2,…M), то путем минимизации целевого функционала I₁, по формуле (3) могут быть найдены оптимальные значения коэффициентов Фурье (С_nm) разложения функции фазового (распределения) в ряд Фурье

где С_nm– коэффициенты Фурье ортогональных гармоник фазового распределения,

_q – множители Лагранжа, соответствующие q-м направлениям прихода помех и, соответственно, формируемым провалам в ДН, заданным углами (_q, _q) в сферической системе координат зеркальной антенны,

P(_q,_q) – реализуемый уровень поля энергетической ДН в q-х направлениях прихода помех.

Полученные значения коэффициентов Фурье С_nm позволяют построить двумерную функцию фазовых возмущений поля в раскрыве антенны (4), (шаг 4).

Найденная таким образом двумерная функция фазового распределения, отвечающая критерию (3), при минимальных фазовых возмущениях поля в раскрыве обеспечивает как формирование в ДН провалов в заданных направлениях (_q, _q) прихода помех, так и минимальное снижение КУ в главном направлении. При этом стабилизация положения луча антенны в заданном направлении обеспечивается автоматически за счет ортогональности фазовых искажений, описываемых гармониками высших порядков (n>1,m>1), ортогональных линейным полиномам, то есть гармоникам фазового распределения первых порядков, описывающим плоский волновой фронт в раскрыве антенны и ответственным за ориентацию главного луча антенны.

Шаг 4.

Далее, решается задача технической реализации рассеивателей, размещаемых в окрестностях точек поверхности зеркала, в проекции которой на плоскость раскрыва зеркала должны быть сформированы фазовые искажения, задаваемые непрерывной на области раскрыва функцией:

где С_nm – определенные на шаге 3 значения коэффициентов Фурье.

С помощью металлических и диэлектрических накладок, являющихся простейшими рассеивателями, создаются в пределах плоского раскрыва фазовые искажения , такие, чтобы обеспечивалась близость к функции Ф(х,у) по норме пространства L₂, то есть

где – заданный допуск на степень отличия фазовых распределений;

I₂ ^– функционал, характеризующий степень близости функций Ф(х,у) и .

Наиболее простая форма задания может иметь вид ступенчатой функции:

где – постоянный фазовый сдвиг на такой части антенного раскрыва U, создаваемый диэлектрическими рассеивающими накладками U, где <0;

– постоянный фазовый сдвиг, создаваемый металлическими рассеивающими накладками на таких участках плоского раскрыва U, где причем во всех случаях должно выполняться условие ;

h и h – искомые толщины диэлектрических и металлических рассеивающих накладок соответственно;

– диэлектрическая проницаемость накладки.

Выбор мест размещения рассеивающих накладок, то есть центров локальных зон фазовых возмущений U и U, осуществляют в соответствии с решениями системы уравнений, из которой определяются координаты центров локальных зон U и U на раскрыве зеркала:

2 и m2 – номера высших гармоник фазового распределения, причем в локальных зонах U и U фазовые возмущения сохраняют свой знак.

Доказательство этого утверждения приведено в [4] и имеет следующую физическую интерпретацию.

Решения уравнений (7) отвечают экстремальным значениям произведений ортогональных полиномов на двумерную функцию амплитудного распределения на конечном наборе точек раскрыва с координатами (x_,, y_,).

То есть, наилучшее приближение к фазовым искажениям, задаваемым определенной гармоникой, может быть обеспечено с помощью фазовых сдвигов в тех локальных зонах раскрыва, где значения функций {P_nm(x,y)(x,y)} достигают экстремумов. Геометрия локальных зон, то есть размеры рассеивающих накладок, определяется из условий близости интегралов по фазовым возмущениям в соответствующих локальных зонах, в которых подынтегральные функции сохраняют свой знак

), а к низкочастотным входам фазовращателей ферритового или полупроводникового типа подключены управляющие цепи, идущие от блока управления фазовращателями, многоразрядный вход которого соединен многоразрядной шиной с многоразрядным выходом процессора.

Второй (информационный) вход процессора предназначен для приема сигнала оценки качества принимаемой информации в условиях помех при конкретной геометрии рассеивателей и полученных величинах фазовых сдвигов, реализуемых отражательными фазовращателями. Размещение рассеивателей на зеркальной поверхности определяют по вышеприведенным формулам.

Система содержит автономный источник питания, который первым и вторым своим выходом подключен соответственно к разъемам питания блока управления фазовращателями и первого входа процессора.

Технический результат патентуемого изобретения заключается в том, что построенная патентуемым способом автономная система обеспечивает повышенную помехозащищенность различных радиосистем с зеркальными антеннами и при этом позволяет осуществлять подавление нескольких помеховых сигналов, приходящих в пределах либо одного углового сектора, либо в различных угловых направлениях, если направления прихода помех предварительно определены. Достигается это коррекцией фазового фронта в раскрыве зеркала, реализуемой установкой рассеивателей на поверхности зеркала с координатами, определенными по вышеприведенным алгоритмам.

Если функции амплитудного распределения в нескольких частотных диапазонах, определяемые многочастотным первичным облучателем, остаются неизменными, то положения локальных зон в зеркале, ответственных за максимальные фазовые искажения гармоник фазового распределения, сохраняются постоянными в широкой полосе частот. При этом эффект подавления помех за счет глубоких провалов в ДН сохраняется в той же полосе частот. Степень снижения КУ в главном направлении также минимальна.

Положение фазового центра всей антенной системы, формирующей провалы в направлениях прихода помех, не меняется только тогда, когда фазовые возмущения создаются нечетными гармониками в раскрыве зеркала, а амплитудное распределение описывается четной функцией.

С помощью патентуемых устройств помехоподавления рассеивающими накладками реализуется автономная система помехозащиты, исключающая какие-либо доработки станции, связанные с включением в приемные тракты на несущей или промежуточных частотах дополнительных компенсирующих каналов. То есть, появляется возможность обеспечить радиокомплексам, находящимся в настоящее время в эксплуатации, качественно новый уровень функционирования – повышенную помехозащищенность путем пространственной фильтрации сигналов и помех, что достигается только заменой зеркальной антенны с установкой рассеивателей внутри зеркала и, например, отражательных фазовращателей с блоком управления ими на тыльной стороне зеркала. Для реализации адаптивного режима от станции должен быть получен сигнал-оценка качества принимаемой информации. Таким сигналом может быть двоичный видеосигнал, свидетельствующий либо об отсутствии помеховых сигналов – «1», либо о зашумленном помеховыми сигналами характере принимаемой информации – «0».

Патентуемые изобретения позволяют обеспечить подавление широкополосных помех, приходящих по боковым лепесткам, путем формирования секторного провала, размер которого пропорционален относительной ширине спектра помех и угловому расстоянию секторного провала от направления максимума главного лепестка ДН [6].

Сущность патентуемых изобретений поясняется примерами конкретной реализации автономной системы защиты станций и графическим иллюстрациями, на которых представлены:

фиг.1a – к определению геометрии рассеивающих накладок;

фиг.1б – варианты форм зеркальных антенн, внутри которых могут размещаться рассеивающие устройства;

фиг.2а – фазовое распределение поля в раскрыве цилиндропараболической зеркальной антенны с раскрывом ˜12 обеспечивающего формирование односторонних провалов в стороны подстилающей поверхности при работе антенны под малыми углами места (сумма 3-й и 5-й гармоник);

фиг.2б – ДН линейного раскрыва с равномерным амплитудным распределением и с провалами по 1-му и 2-му боковым лепесткам (3-я и 5-я гармоники) – пунктирная кривая, сплошная кривая – исходная ДН, потери КУ составляют 0,4 дБ;

фиг.3 – аппроксимация фазового распределения (фиг.2а), реализуемого металлическими и диэлектрическими накладками;

фиг.4 а, б – размещение рассеивающих накладок на поверхности зеркала;

фиг.5 – диаграмма направленности цилиндропараболической антенны с рассеивающими накладками (фиг.4 а,б);

фиг.6 – структурная схема зеркальной антенны с управляемыми по фазе рассеивателями;

фиг.7 – укрупненная блок-схема алгоритма работы процессора (фиг.6);

фиг.8 – укрупненная блок-схема алгоритма расчета пассивных фазосдвигающих элементов;

фиг.9 – диаграмма направленности цилиндропараболической антенны с рассеивателями (фиг.4 а,б) на различных частотах;

фиг.10 – диаграмма направленности цилиндропараболической антенны с рассеивателями (фиг.4 а, б) при электронном сканировании луча.

Патентуемая автономная система защиты станции с зеркально-параболической антенной может быть реализована в различных конструктивных модификациях, что достигается благодаря разработанному универсальному способу построения подобных систем.

Способ построения автономных систем защиты станций реализуют следующей совокупностью операций и приемов.

Процедура определения геометрии рассеивающих накладок и их типа (диэлектрического или металлического) и координат их установки состоит из нескольких этапов. На первом этапе с использованием данных о внешней помеховой обстановке, то есть о направлениях прихода помеховых сигналов и их мощности, и знании характеристик и геометрии зеркально-параболической антенны проводят синтез фазового распределения поля в раскрыве антенны, которое обеспечивает формирование провалов в ДН в заданных направлениях. Решение задачи фазового синтеза основано на применении метода апертурных ортогональных полиномов [4], который гарантирует стабильное положение главного лепестка ДН в заданном направлении за счет того, что искомые фазовые возмущения ортогональны линейному плоскому волновому фронту, несущему ответственность за ориентацию главного лепестка ДН.

В соответствии с критерием минимального снижения коэффициента усиления и одновременного формирования провалов в заданных направлениях осуществляют минимизацию целевого функционала (3).

Предварительно находятся ортогональные полиномы по известной ДН облучателя и форме зеркального раскрыва, например круглого, эллиптического или несимметричной вырезки из параболоида (зеркало со смещенным фокусом), которые не зависят от внешней помеховой обстановки.

Далее двумерная функция фазового распределения, отвечающая критерию (3), представляется в виде отрезка обобщенного ряда Фурье по ортогональным полиномам при минимальных фазовых возмущениях поля в раскрыве и обеспечивает как формирование провалов в заданных направлениях, так и минимальное снижение КУ в направлении главного максимума ДН и его стабилизацию [4].

Следующий этап процедуры оптимизации рассеивателей связан с определением вариантов их практической реализации – местоположений на отражающей поверхности зеркала, типом и размеров рассеивателей. Для этого решается задача максимального приближения двумерного фазового распределения, воссоздаваемого группой локальных рассеивателей в конкретном исполнении, например в виде металлических и диэлектрических накладок, к найденной на первом этапе оптимальной функции фазового распределения, явный вид которой определен в форме взвешенной суммы ортогональных гармоник (4)

где из суммы исключаются, по вышеназванным причинам, нулевая и первые гармоники. N₁, N₂ – число гармоник по координатным направлениям х и у двумерного плоского раскрыва с произвольной плоской границей.

Практическая реализация рассеивателей опирается на следующий факт, установленный с помощью метода апертурных ортогональных полиномов (АОП): расположение в антенном раскрыве центров локальных зон максимального влияния фазовых искажений, описываемых n, m-ми гармониками с минимальными значениями коэффициентов Фурье, определяется из решений системы уравнений относительно множества координат центров локальных зон:

,, y_,). То есть, наилучшее приближение к фазовым искажениям, задаваемым определенной гармоникой, может быть обеспечено с помощью фазовых возмущений в тех локальных зонах раскрыва, где значение функций {P_nm(x,y)(x,y)} достигает экстремума.

Поэтому в процессе технической реализации рассеивателей нужно стремиться к тому, чтобы была обеспечена «максимальная близость» синтезированных и реализуемых фазовых распределений в смысле среднеквадратичного приближения:

где функционал I₂ определяет количественную меру близости функций Ф(x,y) и по норме пространства L₂, а набор конструктивных параметров диэлектрических и металлических рассеивающих накладок, определяющих функцию , находится из (5) с учетом (6).

Естественно, что при этом гарантируется сходимость в дальней зоне реализуемой ДН к заданной ДН, так как коэффициенты Фурье (С_nm) фазового разложения поля в раскрыве одновременно являются коэффициентами сферических функций Бесселя, линейные комбинации которых образуют угловые сфероидальные функции, характеризующие реализуемую ДН антенны в дальней зоне [7].

На фиг.2а показана типичная функция фазового распределения в линейном антенном раскрыве, которая гарантирует формирование широкого одностороннего провала в ДН с минимальным снижением КУ и стабилизацией углового положения главного лепестка. Соответствующая ДН показана на фиг.2б.

Вначале покажем принципиальную осуществимость восстановления фазовых искажений в раскрыве антенны с помощью металлических и диэлектрических рассеивателей определенных размеров, устанавливаемых в таких локальных зонах раскрыва, где фазовые искажения максимальны (фиг.4а). Техническая реализация таких фазовых искажений обеспечивается не только с помощью металлических, но и диэлектрических рассеивателей (фиг.4б).

В соответствии с методом геометрической оптики, применяемым при расчете характеристик зеркальных антенн, для формирования указанной на фиг.4а функции фазового распределения в раскрыве зеркала в областях I и III необходимо получить дополнительное запаздывание сигналов. Поэтому здесь устанавливаются диэлектрические рассеиватели дискового типа (в цилиндропараболической антенне – это рассеиватели прямоугольной формы), а в областях II и IV – опережение, и здесь должны быть установлены дисковые металлические рассеиватели так, как это показано на фиг.4а.

Оптимальные размеры рассеивающих накладок определяются из условия (5), после минимизации нормы разности функционала I₂ по конструктивным параметрам рассеивателей.

На основе поверочного расчета ДН устанавливаются окончательные значения реализуемой глубины нулей в направлениях прихода помех и оценивается степень снижения КУ.

Расстановка в зеркале рассеивателей указанного типа позволяет получить неуправляемые по положению провалы в результирующей ДН, то есть обеспечить помехозащищенность при стабильных направлениях прихода помеховых сигналов и неподвижной антенне станции (например, ориентированной на ИСЗ, находящийся на геостационарной орбите). Если антенна ориентируется под малыми углами места к горизонту, то одностороннее снижение уровня боковых лепестков существенно снижает влияние подстилающей поверхности и устраняет помеховые сигналы, обусловленные многолучевым характером распространения.

Если возникает задача формирования провала в ДН в каком-то направлении, отличном от главного, например, для остронаправленной антенны в радиорелейной линии необходимо обеспечить защиту от постоянно действующей промышленной помехи, приходящей с известного направления, то с помощью приведенного способа эта задача может быть также решена.

Второй вариант построения рассеивателей, размещаемых на зеркальной поверхности, основан на применении группы (или групп) слабонаправленных антенн, образующих малоэлементную разреженную неэквидистантную фазированную антенную решетку отражательного типа, фиг.6.

В качестве отражательных фазовращателей могут использоваться ферритовые или полупроводниковые фазовращатели, обеспечивающие быструю регулировку фазы рассеянных волн с приемлемой величиной дискрета [6]. Размещение групп слабонаправленных антенных элементов в зеркале определяется по той же методике [4] с учетом минимальных допустимых потерь КУ.

В соответствии с приведенной методикой построения автономная система защиты станций может быть выполнена в следующих модификациях.

Для обеспечения помехозащищенности зеркально-параболической антенны при стабильных направлениях прихода помеховых сигналов и неподвижной антенне автономная система защиты содержит (фиг.4а) рассеиватели 2¹, 2², 2³ и 2⁴. Рассеиватели 2¹ и 2³ выполнены из диэлектрика (например, полиэтиленовых листов определенной толщины), а рассеиватели 2² и 2⁴ – из металла, например, в виде алюминиевых накладок. Поз. 5 (фиг.4а) – первичный облучатель, обеспечивающий облучение всего зеркала с заданным амплитудным распределением, описываемым двумерной функцией (х,у).

Рассеиватели 2¹, 2², 2³ и 2⁴ смонтированы на внутренней зеркальной поверхности 1 параболического отражателя.

Геометрия рассеивателей, фиг.1a, их тип, количество, а также координаты их размещения на зеркальной поверхности параболического отражателя определены по формулам (5-8).

Приведем пример подобного расчета количества, размеров и координат размещения рассеивателей на зеркальной поверхности 1 цилиндропараболического отражателя, обеспечивающего одностороннее подавление боковых лепестков при ориентации антенн под малыми углами места с целью снижения влияния подстилающей поверхности и устранения эффекта многолучевого приема сигналов.

Исходные параметры:

– рабочая частота 8,0±1,0 ГГц,

– размеры зеркала 0,4×0,4 м,

– фокальное расстояние 0,3 м,

– облучатель – Н – секториальный рупор.

В результате расчетов по приведенным формулам (1, 2, 3) получен набор коэффициентов Фурье С₃, С₅, С₇, С₉, создающих возмущенное фазовое распределение (4), вид которого представлен на фиг.2а, а исходная и скорректированная ДН направленности приведены на фиг.2б, из сравнения которых видно, что в направлениях прихода помех формируются глубокие нули.

Аппроксимация фазового распределения набором квазиступенчатых функций, реализуемых с помощью накладок, проводилась по формулам (5-8), а размеры и размещение рассеивателей в виде накладок показано на фиг.4а,б. ДН антенны, соответствующая воссозданным фазовым возмущениям, приведена на фиг.5 и подтверждает эффективность предложений методики. Следует подчеркнуть, что реализованные таким образом рассеиватели обеспечивают одностороннее подавление боковых лепестков в широкой полосе частот, фиг.9. Эффект одностороннего подавления боковых лепестков сохраняется и при электронном сканировании луча в ограниченном угловом секторе при использовании многоэлементного облучателя с перемещающимся фазовым центром, фиг.10. Это объясняется ортогональностью фазовых возмущений в раскрыве антенны линейным законам фазового распределения.

Для подавления перемещающихся в пространстве помеховых сигналов в реальном масштабе времени автономная система защиты содержит (фиг.6) зеркало 1, рассеиватели 2, которые выполнены в виде группы или групп слабонаправленных антенн, образующих малоэлементную разреженную неэквидистантную фазированную антенную решетку отражательного типа.

Рассеиватели 2 могут быть выполнены в виде вибраторных или щелевых антенн. Поз. 5 – первичный облучатель, создающий заданное амплитудное распределение (х,у) в раскрыве зеркала.

К СВЧ-входам слабонаправленных антенн 2 подключены фазовращатели 3 с управляемой величиной фазы отраженного сигнала.

Фазовращатели 3 предназначены для изменения фазовых сдвигов и выполнены, например, в виде отражательных фазовращателей полупроводникового или ферритового типов [6].

Управляющие низкочастотные цепи фазовращателей 3 подключены к блоку управления фазовращателями 4.

Блок управления фазовращателями 4 обеспечивает изменение фазы локально отраженной волны на заданную величину и может быть выполнен по известным схемам [8].

Многоразрядный вход блока управления фазовращателями 4 соединен многоразрядной шиной с многоразрядным выходом процессора 6, второй (информационный) вход которого предназначен для приема сигнала-оценки качества принимаемой информации от станции.

Процессор 6 обеспечивает выдачу массивов значений фазовых сдвигов в зависимости от угловых координат приходящих помех и представляет собой, например, стандартную ПЭВМ с жестким диском. К процессору 6 подается от станции (п.7) логический сигнал оценки качества принимаемой информации в виде «0» – отсутствие помеховых сигналов, или «1» – наличие помеховых сигналов.

Количество и геометрия рассеивателей, их геометрические размеры и координаты установки на зеркальной поверхности параболического отражателя определяют по приведенным выше формулам (5-8).

Автономная система защиты содержит также источник питания 8, первый и второй выходы которого подключены соответственно к входу блока управления фазовращателями 4 и первому входу процессора 6.

Автономный источник питания 8 предназначен для питания всех электронных блоков и может представлять собой стандартный покупной блок.

Защиту станций с зеркально-параболической антенной от помеховых воздействий с использованием патентуемой системы осуществляют следующим образом.

Для обеспечения помехозащищенности станции при стабильных направлениях прихода помеховых сигналов и неподвижной антенне осуществляют следующие действия.

Из условий достижения минимума функционала (3) по заданным угловым направлениям прихода помех находятся значения коэффициентов Фурье и определяется функция фазовых искажений поля Ф(х,у) в раскрыве антенны.

В экстремальных точках этой функции, проектируемых от раскрыва на внутреннюю поверхность зеркала, размещают рассеиватели в виде диэлектрических 2¹ и 2³ и металлических 2² и 2⁴ рассеивающих накладок – например, плоских дисков определенного диаметра и толщины (фиг.4 а, б). Для диэлектрических дисков задается диэлектрическая проницаемость –.

Расчет размеров рассеивателей 2¹ 2², 2³ и 2⁴ осуществляют по формулам (6), (8) в предположении квазипостоянного вида функции фазовых искажений, на множестве локальных зон U и U аппроксимирующей наилучшим образом в среднеквадратичном смысле синтезированную функцию (4), определяемую отрезком ряда Фурье с коэффициентами С_nm.

Для этого аппроксимирующее фазовое распределение задают в виде (6) и из условия минимума функционала I₃ (9) определяют значения конструктивных величин _q и h_q для каждого рассеивателя:

_q – диаметр дискового рассеивателя,

h_q – толщина q-го рассеивателя;

_q – множители Лагранжа, соответствующие q-м направлениям провалов, заданным углами (_q, _q) в сферической системе координат зеркальной антенны;

Р (_q, _q) – уровень поля энергетической ДН в q-х направлениях прихода помеховых сигналов и этих же направлениях формируемых провалов в ДН антенны,

после определения массива C_nm, минимизирующего функционал I₁, находится двумерная функция фазового распределения в антенном раскрыве – Ф(х,у):

где P_nm(x,y) – двумерные ортогональные полиномы плоского антенного раскрыва,

далее, находят практически реализуемую функцию , которая должна быть близка к функции Ф(х,у) по норме пространстве L₂, то есть

где – заданный допуск на степень отличия фазовых распределений, при этом простейшая форма задания может иметь следующий вид:

где Ф – постоянный фазовый сдвиг на части антенного раскрыва U, создаваемый диэлектрическими рассеиваниями,

Ф – постоянный фазовый сдвиг, создаваемый металлическими рассеивателями на участках раскрыва U, причем во всех случаях должно выполняться условие: границы знакопостоянных по фазе областей U и U на плоском раскрыве определяются путем проектирования функции – фазового распределения на плоскость раскрыва зеркальной антенны, то есть этим задаются плановые размеры рассеивателей,

h и h – толщина диэлектрических и металлических рассеивателей соответственно,

– диэлектрическая проницаемость материала рассеивателя, координаты центров локальных зон (x,у) и (х,у) фазовых возмущений U и U определяют в результате решения системы уравнений: