Содержание к диссертации
Введение
Анализ проблемных вопросов пространственно-поляризационной обработки сигналов в антеннах микроволнового диапазона 16
1.1 Анализ методов пространственно-поляризационной обработки сигналов эллиптической поляризации 16
1.2 Научная задача и основные направления исследований 28
1.3 Выводы по разделу 29
Пространственно-поляризационная обработка сигналов эллиптической поляризации 31
2.1 Модель антенной решетки для пространственно-поляризационной обработки сигналов эллиптической поляризации 31
2.2 Метод пространственно-поляризационной обработки сигналов эллиптической поляризации 33
2.3 Анализ характеристик направленности антенной системы с плоским раскрывом при пространственно-поляризационной селекции сигналов эллиптической поляризации 41
2.4 Исследование результатов пространственно-поляризационной обработки сигналов эллиптической поляризации предложенным методом 50
2.5 Выводы по разделу 61
Возбуждение ортогонально ориентированных электрических вибраторов волнами эллиптической поляризации 66
3.1 Формулировка интегрального уравнения 66
3.2 Определение взаимосвязи сигналов на выходах излучателей с параметрами падающей волны 70
3.3 Особенности вычисления взаимных сопротивлений излучателей 78
3.4 Анализ сходимости результатов в задачах возбуждения крестообразных вибраторов 90
3.5 Выводы по разделу 93
Исследование антенной системы микроволнового диапазона для приема сигналов эллиптической поляризации 95
4.1 Исследование основных закономерностей оптимальной пространственно-поляризационной селекции сигналов 95
4.2 Влияние учета электродинамических эффектов при выборе параметров блока предварительной обработки сигналов 108
4.3 Технические предложения по реализации метода оптимальной пространственно-поляризационной обработки сигналов эллиптической поляризации 117
4.4 Выводы по разделу 119
Заключение 122
Список использованных источников 125
- Анализ методов пространственно-поляризационной обработки сигналов эллиптической поляризации
- Метод пространственно-поляризационной обработки сигналов эллиптической поляризации
- Определение взаимосвязи сигналов на выходах излучателей с параметрами падающей волны
- Влияние учета электродинамических эффектов при выборе параметров блока предварительной обработки сигналов
Введение к работе
Актуальность темы. Настоящий период развития радиоэлектронных средств характеризуется использованием все более высокого диапазона частот. Это обусловлено рядом факторов. Во-первых, необходимостью миниатюризации радиоэлектронных средств и антенных систем в частности. Во-вторых, значительным ростом числа существующих радиоэлектронных систем, использующих освоенный на настоящее время диапазон. Следует отметить, что помимо систем радиосвязи, телевидения и радиовещания, которые должны образовать к 2015 году в соответствии с Распоряжением Правительства Российской Федерации инфокоммуникационные комплексы [1-3], в настоящее время интенсивно применяются и другие радиоэлектронные системы.
В условиях существующих ограничений на использование радиочастотного спектра важную роль приобретают вопросы приема, передачи и обработки радиосигналов. Здесь можно выделить вопросы, связанные с использованием различий радиосигналов во временной, пространственной, поляризационной и частотной областях [4, 5]. Сказанное выше подтверждается и наблюдаемой тенденцией применения сигналов эллиптической поляризации в радиоканалах различного назначения.
Вопросы временной и частотной селекции сигналов, хотя и продолжают активно исследоваться, в настоящее время могут считаться достаточно разработанными, и, кроме того, представляют самостоятельную область научных интересов. В то же время способы, методы и алгоритмы пространственно-поляризационной селекции сигналов являются наиболее перспективными при применении радиосистем различного назначения в условиях существующих ограничений на использование радиочастотного спектра. При этом необходимо отметить, что возможности реализации тех или иных методов
5 пространственно-поляризационной обработки в значительной степени определяются построением используемых антенных систем.
Таким образом, вопросы, связанные с исследованиями антенных систем микроволнового диапазона для пространственно-поляризационной обработки сигналов эллиптической поляризации, являются актуальными и составляют одно из направлений радиофизики.
Цель работы — выявление и исследование основных закономерностей, возникающих в антенных системах микроволнового диапазона при пространственно-поляризационной обработке сигналов эллиптической поляризации.
Объект исследований - антенные решетки микроволнового диапазона.
Предмет исследований - закономерности, возникающие в антенных системах микроволнового диапазона при пространственно-поляризационной обработке сигналов эллиптической поляризации.
Научная задача состоит в разработке методов и алгоритмов пространственно-поляризационной обработки сигналов эллиптической поляризации и электродинамического' анализа реализующих их антенн, а также исследовании возникающих при этом основных закономерностей.
Для достижения сформулированной в диссертации цели поставлены следующие частные задачи исследований:
Разработка метода и алгоритма пространственно-поляризационной обработки сигналов эллиптической поляризации.
Разработка метода и вычислительногол алгоритма электродинамического анализа антенны крестообразных электрических вибраторов.
Исследование закономерностей, возникающих в антенных системах микроволнового диапазона при пространственно-поляризационной обработке сигналов эллиптической поляризации.
Научная новизна диссертации определяется поставленными задачами, представленными методами их решения и впервые полученными результатами.
1. Получил дальнейшее развитие научно-методический аппарат опти
мальной пространственно-поляризационной обработки сигналов эллиптиче
ской поляризации, отличающийся от известных:
новым методом выбора амплитудно-фазового распределения, обеспечивающим в отличие от известных оптимальную по критерию максимума ОСПШ пространственно-поляризационную обработку сигналов эллиптической поляризации в антеннах микроволнового диапазона;
новыми, впервые полученными аналитическими соотношениями и определяемыми ими закономерностями, связывающими диаграмму направленности антенной системы и глубину «нулей» в компонентах векторной ДН в направлении помехового сигнала с параметрами антенной решетки ортогональных электрических вибраторов;
численными результатами исследования закономерностей, связанных с существованием электродинамических эффектов, обусловленных взаимным влиянием излучателей в составе антенной решетки микроволнового диапазона, на пространственно-поляризационную обработку сигналов эллиптической поляризации.
2. Создан новый метод нахождения взаимных сопротивлений системы
ортогональных электрических вибраторов конечной толщины, отличающий
ся от известных использованием интегральных уравнений относительно
плотности токов на поверхности излучающего элемента и наложением гра
ничных условий на этой же поверхности с выделением логарифмической
особенности функции Грина, что позволяет реализовывать эффективные вы
числительные алгоритмы.
Выявленные закономерности должны учитываться при создании антенн микроволнового диапазона для пространственно-поляризационной обработки сигналов эллиптической поляризации.
Таким образом, разработаны положения и результаты, совокупность которых можно квалифицировать как новую научную задачу в области радиофизики — создание метода и алгоритма пространственно-поляризационной обработки сигналов эллиптической поляризации и электродинамического анализа реализующих их антенн, а также исследование возникающих при этом основных закономерностей.
Достоверность и обоснованность результатов работы подтверждается использованием обоснованных физических моделей и строгих (или с известными оценками сходимости) математических методов решения поставленных задач; совпадением в частных случаях полученных результатов с расчетными и экспериментальными данными, приведенными в научной литературе; предельными переходами полученных результатов в известные соотношения для сигналов линейной поляризации; внутренней сходимостью полученных результатов в адаптивных антенных решетках на случай сигналов и помех произвольной поляризации.
Научная и практическая значимость диссертации.
Научная значимость работы заключается в дальнейшем развитии теории пространственно-поляризационной обработки сигналов в антенных решетках микроволнового диапазона.
Практическая ценность работы определяется созданными программными комплексами для нахождения параметров амплитудно-фазового распределения в раскрыве антенной решетки, обеспечивающих оптимальную по критерию максимума ОСПШ пространственно-поляризационную обработку сигналов эллиптической поляризации, и исследования величины взаимных сопротивлений линейных электрических вибраторов в раскрыве плоской и цилиндрической антенной решетки.
Ряд полученных результатов использован при курсовом проектировании и проведении лабораторных работ по дисциплинам «Электродинамика и распространение радиоволн» и «Устройства СВЧ и антенны» на кафедре
8 «Радиоэлектроника» Ростовской академии сервиса ГОУ ВПО «Южно-Российский государственный университет экономики и сервиса». Ряд полученных результатов использован при курсовом проектировании и проведении лабораторных работ по дисциплинам «Электродинамика и распространение радиоволн» и «Устройства СВЧ и антенны» на кафедре «Радиоэлектроника» Ростовской академии сервиса ГОУ ВПО «Южно-Российский государственный университет экономики и сервиса».
Поставленные в диссертации задачи решались в ходе выполнения ряда проектов Министерства обороны Российской Федерации, совместных НИР в различных отраслевых НИИ. Результаты диссертации являются обобщением и развитием работ автора по решению научных задач, проводимых на протяжении последних четырех лет и успешно реализованных в службе РЭБ штаба РВСН при разработке проектов предложений в программу вооружения и Государственный оборонный заказ по созданию ВВТ РВСН (вх. №242/НИО от 11.09.07г.), при разработке антенно-фидерных устройств изделий 1РЛ248-4.02 и 1РЛ257 в рамах выполнения Государственного оборонного заказа по НИР «Фобос», «Прожектор», «Камертон», «Треножник» и ОКР «Москва-1» в ФГУП «ВНИИ «Градиент» (вх. №216/НИО от 6.07.09г.), в учебном процессе Ростовской академии сервиса Южно-Российского университета экономики и сервиса (вх. №569/НИО от 18.12.08г.). Внедрение результатов подтверждено соответствующими документами.
Основные положения, выдвигаемые для защиты:
1. Метод и реализующий его численный алгоритм выбора амплитудно-
фазового распределения, обеспечивающий в отличие от известных опти
мальную по критерию максимума ОСПШ пространственно-
поляризационную обработку сигналов эллиптической поляризации в антен
нах микроволнового диапазона.
2. Новые аналитические соотношения, связывающие диаграмму на
правленности и потенциально достижимые глубины «нулей» в компонентах
9 векторной ДН антенной решетки ортогональных электрических вибраторов в направлении помехового сигнала с параметрами антенны.
Метод вычисления взаимных сопротивлений электрических вибраторов конечной толщины плоской и цилиндрической антенных решеток, отличающийся от известных использованием интегральных уравнений относительно плотности токов на поверхности излучающего элемента и наложением граничных условий на этой же поверхности с выделением логарифмической особенности функции Грина, что позволяет реализовывать эффективные вычислительные алгоритмы.
Новые закономерности, связанные с существованием электродинамических эффектов, обусловленных взаимным влиянием излучателей в составе антенной решетки микроволнового диапазона, на пространственно-поляризационную обработку сигналов эллиптической поляризации.
Рекомендации по построению антенной решетки микроволнового диапазона, обеспечивающей пространственно-поляризационную обработку сигналов эллиптической поляризации.
Апробация диссертационной работы. Основные научные результаты диссертации докладывались и обсуждались на следующих конференциях:
Ill МНТК «Физика и технические приложения волновых процессов» (Самара, 2004г.);
VI Международном симпозиуме «Электромагнитная совместимость и электромагнитная экология» (Санкт-Петербург, Россия, 2005г.);
МНПК «Телеком-2005» (Ростов-на-Дону, 2005г.);
V Conference on Antenna Theory and Techniques (Kyiv, Ukraine, 2005);
II МНПК «Актуальные проблемы развития ж/д транспорта» (Самара, 2006);
I Межрегиональной научной конференции «Современные проблемы радиоэлектроники» (Ростов-на-Дону, 2006);
V МНТК «Физика и технические приложения волновых процессов» (Самара, 2006г.);
VII Международном симпозиуме «Электромагнитная совместимость и электромагнитная экология» (Санкт-Петербург, Россия, 2007г.);
МНТК «Излучение и рассеяние электромагнитных волн» (Таганрог, 2007г.);
- II МНК «Проблемы современной радиоэлектроники» (Ростов-на-
Дону, 2008г.);
- X МНПК «Информационная безопасность» (Таганрог, 2008г.);
- Международном радиоэлектронном форуме «Современные и пер
спективные системы радиолокации, радиоастрономии и спутниковой навига
ции» (Харьков, Украина, 2008г.);
~ VIII Международном симпозиуме «Электромагнитная совместимость и электромагнитная экология» (Санкт-Петербург, Россия, 2009г.);
МНПК «Излучение и рассеяние электромагнитных волн» (Дивномор-ское-Таганрог, 2009г.);
Progress in Electromagnetics Research Symposium PIERS-2009 (Moscow, 2009).
Публикации. По материалам диссертационной работы опубликовано 56 научных трудов, в том числе 9 статей в ведущих рецензируемых научных журналах и изданиях, в которых должны быть опубликованы основные научные результаты диссертации на соискание ученой степени кандидата наук, и 29 статей и тезисов докладов в сборниках трудов Всероссийских и Международных научных конференций и симпозиумов. Получен патент на изобретение и 5 свидетельств об официальной регистрации программы для ЭВМ. В диссертации лично автором получены следующие результаты: в статьях [90, 95] автором получены соотношения, описывающие элементы ковариационной матрицы сигналов адаптивной антенной решетки крестообразных излучателей;
в статье [98] автором разработан метод выбора весовых коэффициентов, обеспечивающий выполнение критерия условной максимизации ОСЕПШ в случае невозможности исключения полезного сигнала из устройства формирования ковариационной матрицы помех;
в статьях [91-94, 96, 97] автором выполнен вычислительный эксперимент;
в остальных совместных работах результаты получены на паритетных началах.
Структура работы. Диссертация включает в себя введение, четыре раздела, заключение и три приложения. Она содержит 151 страницу машинописного текста, 30 рисунков, 12 таблиц, 143 формулы и список использованных источников, включающий 137 наименований.
Во введении обоснована актуальность темы диссертации, определены ее цели и задачи, показана практическая значимость и научная новизна полученных результатов, сформулированы основные положения и выводы, выносимые на защиту, а также представлено краткое содержание работы.
В первом разделе на основе выполненного анализа проблемных вопросов пространственно-поляризационной обработки сигналов эллиптической поляризации в антенных системах микроволнового диапазона показано, что возможности использования временного и частотного разделения сигналов, применяемых в настоящее время для селекции сигналов, в значительной степени исчерпаны. В связи с этим основное внимание необходимо уделить внедрению перспективных способов селекции сигналов, к которым относится пространственно-поляризационная обработка. При этом наименее исследованными вопросами для данного способа обработки является их применение для сигналов эллиптической поляризации.
Выполненный анализ известных методов, используемых для пространственной и поляризационной обработки сигналов, показал, что в настоящее время недостаточно полно рассмотрены вопросы совместного использования пространственного и поляризационного вида селекции. Кроме того, вопрос
12 влияния взаимной связи излучателей антенной решетки на величину ОСПШ на выходе антенны является с точки зрения практического применения данных методов нерассмотренным.
Все это позволило обосновать актуальность и научную новизну диссертационной работы, а также сформулировать основные направления исследований.
Во втором разделе диссертации разработан новый метод пространственно-поляризационной обработки сигналов эллиптической поляризации в антеннах микроволнового диапазона, обеспечивающий независимую пространственную обработку ортогональных поляризационных составляющих с целью наилучшего приема одного из сигналов (полезного сигнала). Реализация данного метода связана с предварительной пространственно-поляризационной обработкой сигналов, позволяющей исключить полезный сигнал из устройства формирования ковариационной матрицы для его последующей обработки. С этой целью предлагается сформировать в антенне две группы подрешеток. Первая группа используется для исключения полезного сигнала в устройстве формирования ковариационной матрицы помех, вторая - для формирования диаграммы направленности антенны. При этом в направлении полезного сигнала в ДН подрешеток первой группы формируется «нуль», а в ДН подрешеток второй группы - максимум. В результате такого построения обработки сигналы на выходах групп подрешеток будут иска-жаться различным образом. Математически данные операции определяются использованием суммирующих матриц D и D соответственно.
Неоднозначность выполнения операции исключения полезного сигнала приводит к тому, что сигналы и соответственно характеристики антенны будут зависеть от параметров подрешеток (числа объединяемых излучателей и амплитудно-фазового распределения). Для устранения данной неоднозначности сформулирован новый критерий, в соответствии с которым проводится выбор параметров антенной системы. Кроме того, искажение реального сигнала, обусловленное процессом исключения полезного сигнала из коварна-
13 ционной матрицы помех, требует также и коррекции управляющего вектора, обеспечивающего выбор оптимального амплитудно-фазового распределения.
Выполненные исследования основных закономерностей пространственно-поляризационной обработки сигналов эллиптической поляризации показали, что обеспечение монотонности показателя качества приема сигналов (величины ОСПШ) при наличии предварительной обработки достигается, если диаграммы направленности подрешеток первой группы являются близкими к изотропным. Формирование «нуля» при воздействии помехового сигнала линейной поляризации происходит только в соответствующей компоненте ДН. При этом формирование данного «нуля» будет происходить в каждой из составляющих данной компоненты, связанных с ортогонально ориентированными плечами вибраторов. Формирование «нуля» в общем случае сигнала эллиптической поляризации происходит в обеих компонентах векторной диаграммы направленности. Ни в одной из составляющих ДН подрешеток ортогонально ориентированных излучателей при этом формирование «нуля» не происходит.
В третьем разделе в строгой постановке решена задача о возбуждении системы ортогональных вибраторов конечного радиуса плоской электромагнитной волной эллиптической поляризации. Новизна подхода заключается в представлении вибратора в виде идеально проводящего цилиндра и выделении логарифмической особенности функции Грина, что позволяет упростить численный алгоритм учета электродинамических эффектов. Нахождение сигналов на выходах излучателей осуществляется путем решения системы двух интегральных уравнений, записанных относительно плотностей токов в ортогонально ориентированных линейных вибраторах, к которым сводится методом Бубнова-Галеркина данная задача. При описании распределения плотности токов в излучателях используется разложение по системе тригонометрических функций. Получены аналитические соотношения, описывающие элементы блоков матрицы взаимных сопротивлений излучателей в антенных решетках. Разработан алгоритм вычисления элементов матрицы
14 взаимных сопротивлений, позволяющий значительно сократить объем вычислительных затрат. Выполнен анализ сходимости результатов в задачах возбуждения плоской электромагнитной волной системы ортогонально ориентированных электрических вибраторов.
В четвертом разделе приводятся результаты исследований направленных свойств и энергетических характеристик антенной системы микроволнового диапазона для пространственно-поляризационной обработки нескольких сигналов эллиптической поляризации. Выполненный анализ результатов исследований направленных свойств при пространственно-поляризационной селекции трех помеховых сигналов показал, что независимо от сочетаний поляризаций помеховых сигналов формирование нуля наблюдается только в соответствующей компоненте векторной ДН. Данный эффект позволяет ограничить снижение ОСПШ даже при попадании помехи линейной поляризации в главный максимум при приеме сигналов круговой поляризации величиной порядка 3 дБ.
Предложенная антенна микроволнового диапазона отличается от известных введением дополнительного блока. Блок позволяет за счет исключения полезного сигнала на этапе предварительной обработки сигналов обеспечивать оптимальную по критерию максимума ОСПШ пространственно-поляризационную обработку сигналов эллиптической поляризации. Выполненный анализ влияния параметров устройства предварительной обработки на величину ОСПШ позволил сделать вывод о том, что отказ от учета взаимной связи при выборе параметров устройства предварительной обработки приводит к дополнительному снижению ОСПШ до 4 дБ (0.5...4 дБ). Сформулированы технические предложения по реализации метода пространственно-поляризационной обработки сигналов эллиптической поляризации.
В заключении сформулированы основные результаты работы и выводы диссертации.
В приложение А вынесены математические выкладки, показывающие получение выражений, описывающих элементы обратной ковариационной матрицы сигналов эллиптической поляризации.
В приложении Б показаны этапы получения соотношений, описывающих компоненты диаграммы направленности адаптивной антенной решетки крестообразных излучателей.
В приложении В приводится текст программы для моделирования формирования «нуля» подрешетками, исключающими полезный сигнал.
Основное содержание работы опубликовано в работах [90-137].
Автор выражает искреннюю благодарность докторам технических наук профессору Мануйлову Б.Д., профессору Сизову В.П. и Мищенко СЕ. за многочисленные полезные дискуссии, внимание и поддержку при выполнении данной работы.
Анализ методов пространственно-поляризационной обработки сигналов эллиптической поляризации
Принятая в настоящее время концепция развития радиоэлектронных средств, изложенная в [1-3], предусматривает создание и широкое внедрение инфокоммуникационных комплексов. Обеспечение устойчивого функционирования таких комплексов в условиях плотного размещения независимо функционирующих радиоэлектронных систем связано, прежде всего, с решением вопросов селекции сигналов по тому или иному параметру.
Наиболее широкое применение в настоящее время находит использование временного и частотного разделения сигналов, возможности которых в значительной степени исчерпаны. В связи с этим основное внимание уделяется внедрению перспективных способов селекции сигналов, к которым относится пространственно-поляризационная обработка сигналов. Наименее исследованными при этом являются вопросы пространственно-поляризационной селекции сигналов эллиптической поляризации.
Развитие современных и перспективных инфокоммуникационных комплексов идет по пути использования все более высокочастотной части радиодиапазона, что определяется, с одной стороны, практически полным освоением более низкочастотной части радиодиапазона, и, с другой стороны, необходимостью миниатюризации радиоэлектронных средств, включая и антенные системы.
Качество функционирования инфокоммуникационных комплексов в значительной степени определяется отношением сигнал/шум О на выходе антенной системы. Указанная величина при одновременном приеме одного полезного сигнала (используемого для передачи информации) с направления в0,(р0 и L не несущих в данной ситуации полезную информацию сигналов (помеховых сигналов) с направлений в1, р1 (/ = 1,...,L) может быть определена зависимостью [9]:
В соотношении (1.1) Р представляет собой мощность передатчика полезного сигнала; щ) - КНД антенны, передающей полезный сигнал; Gf}p - КНД антенны, используемой для передачи полезного сигнала; РЦ - мощность передатчика помехового сигнала; гуЦ - КПД антенны станции помех; КНД антенны, используемой для передачи / -го помехового сигнала; F„p () -векторная ДН приемной антенны в направлениях в0, р0 и 0,(ре; R0, R -расстояние между передающей сигнал и приемной антеннами и антенной станции помех и приемной антенной соответственно; Ео, Ei - вектор напряженности электрического поля полезного и /-го (/ = l,...,L) помехового сигналов, Рш - мощность тепловых шумов в антенне.
Повышение отношения сигнал/шум Q, как следует из выражения (1.1), связано с пространственно-поляризационной селекцией полезного и помеховых сигналов [6-8, 10], заключающейся в формировании «нулей» в компонентах векторной ДН в зависимости от параметров (направления прихода и поляризации) помеховых сигналов. Обеспечение данного вида селекции сигналов может быть реализовано с использованием антенной решетки излучателей круговой поляризации, в частности, ортогонально ориентированных электрических вибраторов, излучающий раскрыв которой приведен на рисунке 1.1. При этом необходимо учитывать, что направления прихода и поляризационная структура помеховых сигналов, как правило, являются неизвестными. В связи с этим пространственно-поляризационная обработка сигналов должна проводиться с использованием методов адаптивной обработки.
Основная трудность, с которой приходится сталкиваться при практической реализации пространственно-поляризационной обработки сигналов, связана с отсутствием априорной информации о корреляционной и поляризационной структурах помех в пространственной и временной областях.
Возможным выходом в этих условиях является применение методов синтеза амплитудно-фазового распределения, обеспечивающего формированиє заданной векторной ДН [11]. Однако такой подход может приводить к
существенному снижению ОСПШ. Это связано с тем, что использование методов синтеза основано на наличии априорной информации о требуемой диаграмме направленности. В то же время, в силу изменяющейся сигнально-помеховой обстановки данная информация отсутствует, что приводит к необходимости использования усредненных данных и, как следствие, значительному снижению помехоустойчивости систем радиосвязи.
Возможным направлением преодоления данного противоречия является переход к адаптивным методам и алгоритмам формирования «нулей» ДН и построению подсистемы обработки в системе связи по второму варианту. Формирование «нулей» проводится, как отмечалось выше, путем весового взвешивания сигналов в каналах ААР. При этом вектор весовых коэффициентов может быть сформирован как на основе прямых методов адаптации, определяемых непосредственным решением уравнения Винера-Хопфа [12-14], в том числе и для независимого формирования «нулей» в компонентах векторной ДН с использованием корреляционной матрицы помех [10], так и с использованием градиентных методов, реализуемых с применением корреляционных обратных связей. Основными методами адаптивной обработки сигналов являются методы пространственной [12-51] и поляризационной обработки [52-64].
Метод пространственно-поляризационной обработки сигналов эллиптической поляризации
Несложно заметить, что в частных случаях линейной поляризации сигналов соотношения (2.56), (2.57) сводятся к выражениям (2.50), (2.52).
На основании соотношений (2.56), (2.57) сигнал на выходе АР определяется суммой принимаемых компонентов в — и (р - поляризаций и описывается зависимостью [НО, 117, 120, 121, 123]: Интересными с точки зрения анализа являются случаи прихода поме хового сигнала в плоскостях Oxz {(рх - 0) и Oyz (q x = njT), связанных с пле чами вибраторов. В первом случае, как следует из физических соображений, подавление #-компоненты помехового сигнала осуществляется подрешеткой х -ориентированных вибраторов, а подавление р-компоненты помехового сигнала - подрешеткой у -ориентированных вибраторов. Во втором случае подавление в- и -компонент помехового сигнала осуществляется соответ ственно подрешетками у- и х-ориентированных вибраторов. Для указанных направлений представление ДН (2.54) принимает вид [ПО, 117, 120, 121, 123]: Выполним исследования, направленные на оценку эффективности предложенного метода пространственно-поляризационной обработки сигналов эллиптической поляризации. На первом этапе выполним анализ влияния формы диаграммы направленности (ее изотропности) подрешетки на достижимое значение ОСПШ при исключении полезного сигнала. На рисунке 2.2 приводятся соответственно исходная геометрия 64-элементной антенной решетки (8x8) (рисунок с индексом «а»), а также антенные решетки, в которой элементы объединены в подрешетки из четырех (2x2) (рисунок с индексом «б») и 16 элементов в каждой (4x4) (рисунок с индексом «в»). Точками на данных рисунках показаны геометрические центры реальных излучателей, а крестиками — фазовые центры образованных подрешеток. Излучатели располагаются, как и ранее, с шагом 0.5Л. При проведении исследований для выявления основных закономерностей, связанных с пространственно-поляризационной обработкой сигналов, в качестве излучателей рассматривались ортогонально ориентированные электрические диполи. Элементы вектора Ve из (2.1) имеют вид: В соотношении (2.60) блоки [F/j, [Vf имеют размерность iVxl каждый, а их элементы определяются соотношениями Vlxn=2i{Efcos0lcos(Pi -Efsmp x где - длина плеча излучателя. Для сравнения предлагаемого метода с известными методами оптимальной обработки, рассматриваемыми в работах [67, 68, 82], проводилось исследование зависимости ОСПШ Q в случае приема двух сигналов (L = 1) совпадающей линейной поляризации плоской антенной решеткой при различных параметрах. Направление прихода помехового сигнала считалось фиксированным {вх = 0, рх =0), а направление прихода полезного сигнала варьировалось в интервале 5 в0 85, р0=0.
Определение взаимосвязи сигналов на выходах излучателей с параметрами падающей волны
Несложно заметить, что изотропный характер диаграммы направленности подрешетки 2x2 элементов приводит к монотонной зависимости ОСПШ, показанной на правом поле рисунка В то же время ДН подрешетки 4x4 (кривые 2 на рисунке 2.4) имеет «нуль» в направлении вх =30.
Это обуславливает появление ошибок при формировании ковариационной матрицы помех и, соответственно, вектора весовых коэффициентов при приходе помехового сигнала с данного направления. Следствием этого является резкое снижение ОСПШ для прихода помехового сигнала с данного направления.
Таким образом, предложенный метод пространственной селекции сигналов в адаптивных антенных решетках позволяет в отличие от известных подходов обеспечивать высокие значения ОСПШ в условиях наличия полезного сигнала при формировании вектора весовых коэффициентов. Для получения монотонной зависимости ОСПШ в пространственном секторе рабочих углов необходимо, чтобы диаграмма направленности подрешеток, осуществляющих исключение полезного сигнала из устройства формирования ковариационной матрицы помех, была близка к изотропной.
Полученные выше результаты дают возможность численно исследовать зависимости отношения сигнал/(помеха+шум) и диаграммы направленности от параметров как излучающего раскрыва антенной решетки, так и сигналов. Исследуем возможность формирования «нуля» в компонентах векторной диаграммы направленности антенной решетки микроволнового диапазона. При этом будем рассматривать случаи: - полезный и помеховый сигнал имеют одинаковую линейную поляризацию (оба сигнала являются одновременно в- или -поляризованными сигналами); - полезный и помеховый сигнал имеют ортогональные линейные поляризации (один из сигналов является в-, а второй -поляризованным); - полезный сигнал имеет круговую, а помеховый сигнал линейную поляризацию; - полезный и помеховый сигналы одновременно имеют круговую поляризацию. Анализ результатов выполненных численных исследований изменения ОСПШ в зависимости от направления прихода помехового сигнала показал, что для плоской 64-элементной (8x8) антенной решетки крестообразных электрических вибраторов с длиной плеча 0.25Я, размещаемых с шагом 0.55/1 в узлах квадратной координатной сетки, при отношении мощностей полезного и помехового сигналов к мощности тепловых шумов на выходе каждого из излучателей 0 дБ и 30 дБ соответственно, показал, что в соответствии с теоретическими выводами для полезного и помехового сигналов совпадающих поляризаций поведение ОСПШ совпадает с известными зависимостями, полученными для линейно-поляризованных сигналов [12, 13]. В частности, несложно заметить, что для сигналов совпадающих поляризаций резкое падение величины ОСПШ наблюдается при угловом разносе полезного и помехового сигналов в угловом секторе + 5. Для сигналов ортогональных поляризаций величина ОСПШ не зависит от направления прихода помехового сигнала и равна значению ОСПШ в отсутствие помехи, что полностью соответствует теории приема сигналов антенными решетками. На втором этапе исследуем возможность формирования «нуля» в компонентах векторной диаграммы направленности антенной решетки микроволнового диапазона. При этом рассмотрим следующие случаи: - наличия линейно #-поляризованной помехи, приходящей с направления вх =20, (рх =0; - наличия линейно в -поляризованной помехи, приходящей с направления вх =20, рх =20; - наличия линейно в — поляризованной помехи, приходящей с направления =40, рх =20. Результаты исследований приведены на рисунках 2.5-2.10. При этом рисунки 2.5, 2.7 соответствуют случаю прихода полезного сигнала с направления #0=0, д?0=0, а рисунки 2.6, 2.8, 2.10 -с направления #0=20, (р0 = 0. Направление прихода помехового сигнала определяется на рисунке 2.5 углами =20, !=0, на рисунках 2.7, 2.9 -углами #1=20, рх = 20, на рисунках 2.6, 2.8, 2.10 - углами вх = 40, рх - 20. На рисунках 2.6-2.8 приводятся результаты численных исследований для случая прихода полезного сигнала круговой поляризации, а на рисунках 2.9 и 2.10 - сигнала эллиптической поляризации при Д$ = я73, \Ее\ Е =1. Кривые 1 на данных рисунках обозначают #-компоненту диаграммы направленности ( = 9), кривые 2 - р -компоненту ДН ( = (р\ и кривые 3 обозначают амплитудную диаграмму направленности антенны. На левом поле во всех случаях показаны сечения приведенных ДН в угломестной плоскости, на правом поле — в азимутальной плоскости. Кроме того, рисунки с индексами «а» иллюстрируют вклад в диаграмму направленности подрешетки х - ориентированных плеч излучателей антенны, рисунки с индексом «б» - вклад в ДН подрешетки у - ориентированных плеч излучателей антенны, рисунки с индексом «в» - диаграмму направленности антенной решетки.
Влияние учета электродинамических эффектов при выборе параметров блока предварительной обработки сигналов
Если помеха приходит с направления, не совпадающего с главным сечением, то формирование «нуля» не наблюдается ни в одной из составляющих ДН, формируемых подрешетками х — или у — ориентированных плеч излучателей. В то же время суммирование полей подрешеток обуславливает появление «нуля» в в -компоненте (поля с индексами «в» на рисунках 2.6, 2.7, 2.8). Выявленные закономерности распространяются и на случай отклоненного главного лепестка диаграммы направленности (см. рисунки 2.6, 2.8).
Зависимости на рисунках 2.9, 2.10 иллюстрируют формирование «нулей» ДН при действии помехи эллиптической поляризации, направление прихода которой составляется в1 =20, рх = 0 и вх =40, рх =20 соответственно для неотклоненного и отклоненного главного лепестка диаграммы направленности. Анализ полученных кривых показывает, что при действии помех такого вида формирование «нулей» наблюдается во всех компонентах диаграммы направленности.
Таким образом, можно сказать, что - при обработке сигналов линейной поляризации формирование «нуля» происходит только в соответствующей компоненте ДН. При этом формирование данного «нуля» будет происходить в каждой из составляющих данной компоненты, связанных с ортогонально ориентированными плечами вибраторов; - в общем случае сигнала эллиптической поляризации формирование «нуля» происходит в обеих компонентах векторной диаграммы направленности. При этом ни в одной из составляющих ДН подрешеток х - или у — ориентированных плеч излучателей формирование «нуля» не происходит; - в случае прихода помехового сигнала в плоскостях Oxz { рх = 0) и Oyz { рх =тг/2), связанных с плечами вибраторов, подавление #-компоненты помехового сигнала осуществляется подрешеткой х-ориентированных вибраторов, а подавление -компоненты помехового сигнала - подрешеткой у-ориентированных вибраторов при первом направлении прихода помехового сигнала. Во втором случае подавление в- и р-компонент помехового сигнала осуществляется соответственно подрешетками .у- и х-ориентированных вибраторов. Неоднозначность выполнения операции исключения полезного сигнала из устройства формирования ковариационной матрицы помех приводит к тому, что оптимальное амплитудно-фазовое распределение зависит от параметров преобразования сигналов в блоке предварительной обработки. Следовательно, достижение максимального ОСПШ связано с таким выбором весовых коэффициентов предварительной обработки, при которых достигается глобальный максимум сформулированного функционала. В частных случаях выбор весовых коэффициентов в пределах подре-шетки с использованием соотношения (2.27) позволяет решить задачу нахождения оптимального управляющего вектора в замкнутой форме. Полученные в замкнутой форме соотношения, определяющие компоненты векторной диаграммы направленности антенной решетки кре стообразных излучателей, показали, что - для сигналов совпадающих поляризаций резкое падение величины ОСПШ наблюдается при угловом разносе полезного и помехового сигналов в угловом секторе, равном половине ширины главного лепестка ДН антенной решетки рассматриваемой геометрии, что соответствует теоретическим выводам и зависимостям, полученным для линейно-поляризованных сигналов; - для сигналов ортогональных поляризаций величина ОСПШ не зависит от направления прихода помехового сигнала и равна значению ОСПШ в отсутствие помехи. 2.5.3 Результаты выполненных численных исследований оценки харак теристик антенны при использовании оптимального метода обработки сигна лов позволили выявить основные закономерности влияния параметров поля ризации сигналов и направлений прихода сигналов: - предложенный метод пространственно-поляризационной обработки сигналов в адаптивных антенных решетках позволяет в отличие от известных подходов обеспечивать высокие значения ОСПШ в условиях наличия полезного сигнала при формировании оптимального амплитудно-фазового распределения. Для обеспечения монотонности показателя качества приема сигналов диаграммы направленности подрешеток, осуществляющих исключение полезного сигнала из устройства формирования ковариационной матрицы помех, должны быть изотропными; - при воздействии помехового сигнала линейной поляризации формирование «нуля» происходит только в соответствующей компоненте ДН. При этом формирование данного «нуля» будет происходить в каждой из составляющих данной компоненты, связанных с ортогонально ориентированными плечами вибраторов; - особенностью приема сигналов эллиптической поляризации является формирование «нуля» в компонентах векторной диаграммы направленности комбинированного излучателя и их отсутствие в составляющих ДН подреше-ток ортогонально ориентированных плеч излучателей; - в случае прихода помехового сигнала в плоскостях Oxz { рх = 0) и Oyz { рх =7г/2), связанных с плечами вибраторов, подавление #-компоненты помехового сигнала осуществляется подрешеткой х -ориентированных вибраторов, а подавление -компоненты помехового сигнала - подрешеткой у-ориентированных вибраторов при первом направлении прихода помехового сигнала. Во втором случае подавление в- и -компонент помехового сигнала осуществляется соответственно подрешетками у- и л:-ориентированных вибраторов.
