Патент на изобретение №2236732
|
||||||||||||||||||||||||||
(54) САМОФАЗИРУЮЩАЯСЯ АНТЕННАЯ РЕШЕТКА
(57) Реферат:
Самофазирующаяся антенная решетка (СФАР) относится к области антенной техники и предназначена для использования в радиотехнических системах различного назначения. Техническим результатом является повышение помехозащищенности СФАР (повышение отношения сигнал/шум в нагрузке антенны) за счет отбраковки каналов СФАР, уровень сигнала в которых ниже требуемого порогового значения. Оценочная величина выигрыша в отношении сигнал/шум за счет отбраковки каналов составляет порядка N/N-M, где N – количество антенных элементов (каналов приема), М – количество отбракованных каналов. СФАР 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, и N цепей фазовой автоподстройки частоты 4 с общим гетеродином 15 и общим генератором опорного сигнала 16, 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 13, генератор управляемый напряжением 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 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 17, включенных в разрыв между выходом первого смесителя и соответствующим входом N-канального сумматора, N первых амплитудных детекторов 18, вход каждого из которых параллельно соединен с входом соответствующего управляемого ключа и с выходом первого смесителя, N компараторов 19, 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 21, вход которого параллельно соединен с выходом N-канального сумматора, а выход – с входом делителя мощности на “2N”, где “m” – позиционность фазоманипулированного сигнала. 1 ил.
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 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 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 Таким образом, изобретение соответствует критерию изобретения 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 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 10 – второй полосовой фильтр; 11 – делитель частоты на 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 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 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 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 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 При этом полоса пропускания первого полосового фильтра 7 выбирается не менее полосы частот информационного сигнала, т.е. С выхода первого полосового фильтра 7 сигнал с частотой, близкой к f2, полосой частот 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 С выхода устройства свертки спектра сигнала 8, сигнал с центральной частотой, близкой к частоте f2 опорного генератора 16, полосой частот 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 Uci ниже порогового значения Un, т.е. Uci 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 Uci поступают на первые входы соответствующих компараторов 19, на вторые входы подается суммарный сигнал U 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 где М – количество каналов без сигнала, либо каналов с Uci Предположим, что мощности сигнала и мощности шума во всех каналах СФАР одинаковы, т.е. Pci=Pc, Pшi=Pш, тогда отношение сигнал/шум 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 Тогда выигрыш 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. 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. РИСУНКИ
|
||||||||||||||||||||||||||