RU2828184C1

RU2828184C1 - Antenna array

Info

Publication number: RU2828184C1
Application number: RU2023112031A
Authority: RU
Inventors: Сергей Евгеньевич Банков; Александр Георгиевич Давыдов; Георгий Викторович Криницкий
Original assignee: Российская Федерация, от имени которой выступает Министерство обороны Российской Федерации
Filing date: 2023-05-10
Publication date: 2024-10-07

Abstract

FIELD: antenna equipment.

SUBSTANCE: invention relates to antenna arrays and serves as an antenna for a satellite navigation receiver. Result is achieved by the fact that the proposed antenna array contains N+1 elementary radiators, which are located on the surface of the metal screen according to the "star" scheme, including one central elementary radiator and N peripheral elementary radiators, as well as a signal processing unit, which is connected to the outputs of the elementary radiators, characterized by that a calibration system is introduced into the antenna array, which consists of N pin radiators and the power supply circuit of the pin radiators, pin radiators are located on the surface of the metal screen perpendicular to its plane, along the circular line with the center coinciding with the center of the antenna array, power supply system of pin radiators is made in the form of a power divider, which contains a central port and N peripheral ports, the central port of the power divider is connected to the signal processing unit, and peripheral ports of power divider are connected to inputs of pin radiators.

EFFECT: increase in the level of suppression of spurious signals by up to 10 dB and increase in the accuracy of determining coordinates when equipping satellite navigation systems.

1 cl, 6 dwg

Description

Изобретение относится к антенной технике и может быть использовано в качестве антенны приемного устройства спутниковой навигации.The invention relates to antenna technology and can be used as an antenna for a satellite navigation receiving device.

Антенные решетки, под которыми принято понимать систему из нескольких одинаковых антенн - элементарных излучателей, активно используются в антенной технике, в частности в спутниковых навигационных системах (СНС). Чаще всего они располагаются в одной плоскости на металлическом экране. Известно большое число типов антенных решеток. Среди них можно выделить фазированные антенные решетки, цифровые решетки, адаптивные решетки и т.д.Antenna arrays, which are usually understood as a system of several identical antennas - elementary radiators, are actively used in antenna technology, in particular in satellite navigation systems (SNS). Most often, they are located in one plane on a metal screen. A large number of types of antenna arrays are known. Among them, phased antenna arrays, digital arrays, adaptive arrays, etc. can be distinguished.

В помехозащищенных системах спутниковой навигации наибольшее применение нашли адаптивные цифровые решетки. Они используются в приемной аппаратуре пользователей навигационных систем, таких как GPS, ГЛОНАС и др. Основной задачей, которую решает такая решетка, является подавление паразитных сигналов, попадающих в антенную систему. Такие сигналы могут иметь как естественное происхождение, обусловленное переотражениями электромагнитных волн от поверхности Земли, соседних зданий и других сооружений, так и искусственное происхождение, связанное с искусственными источниками помеховых сигналов.In interference-protected satellite navigation systems, adaptive digital arrays have found the greatest application. They are used in the receiving equipment of users of navigation systems such as GPS, GLONASS, etc. The main task that such an array solves is the suppression of parasitic signals entering the antenna system. Such signals can be of natural origin, caused by the re-reflection of electromagnetic waves from the Earth's surface, neighboring buildings and other structures, or of artificial origin, associated with artificial sources of interference signals.

Адаптивная решетка вместе с аппаратурой обработки навигационных сигналов формирует нуль диаграммы направленности (ДН) решетки в направлении прихода паразитного сигнала. За счет этого достигается подавление сигнала помехи, что обеспечивает работоспособность навигационной системы и высокую точность определения координат. По причинам, указанным выше, применение антенных решеток в системах определения координат высокой точности в настоящее время является типовым, наиболее распространенным техническим решением.The adaptive array together with the navigation signal processing equipment forms the zero of the array directivity pattern (DP) in the direction of the parasitic signal arrival. Due to this, the interference signal is suppressed, which ensures the operability of the navigation system and high accuracy of coordinate determination. For the reasons stated above, the use of antenna arrays in high-precision coordinate determination systems is currently a typical, most common technical solution.

В качестве элементарных излучателей в СНС чаще всего используются печатные антенны. Известны простейшие печатные антенны, имеющие один диэлектрический слой, на поверхности которого нанесены металлические слои (Т. Haddrell, JP. Bickerstaff, M. Phocas. Realisable GPS Antennas for Integrated Hand Held products. ION GNSS 18th International Technical Meeting of the Satellite Division, 13-16 September 2005, Long Beach, CA). Связь такой антенны с внешними устройствами обеспечивается с помощью элемента возбуждения. Часто в качестве элемента возбуждения используют коаксиальный кабель, центральный проводник которого имеет контакт с одним металлическим слоем, а внешний проводник - с другим. Возможны также и другие элементы возбуждения, например, технологичный элемент возбуждения полосковой линией через щель.Printed antennas are most often used as elementary radiators in SNS. The simplest printed antennas are known, which have one dielectric layer, on the surface of which metal layers are applied (T. Haddrell, JP. Bickerstaff, M. Phocas. Realisable GPS Antennas for Integrated Hand Held Products. ION GNSS 18th International Technical Meeting of the Satellite Division, 13-16 September 2005, Long Beach, CA). The connection of such an antenna with external devices is provided by an excitation element. Often a coaxial cable is used as an excitation element, the central conductor of which has contact with one metal layer, and the outer conductor - with another. Other excitation elements are also possible, for example, a technological excitation element of a strip line through a slit.

Известны также печатные антенны с круговой поляризацией. Они могут иметь форму круга или квадрата (Патент США №6326923) или близкую к ним. Точный выбор формы зависит от числа элементов возбуждения, которые используются для связи с внешней схемой. Если антенна имеет один элемент связи, то форма антенны, то есть форма диэлектрического и металлического слоев, близка к квадрату или кругу, но не совпадает с ними полностью. При использовании двух элементов связи антенна имеет строго круглую или квадратную форму. В более общем случае ее форма должна иметь симметрию поворота на 90 градусов.Printed antennas with circular polarization are also known. They can have a circle or square shape (US Patent No. 6,326,923) or close to them. The exact choice of shape depends on the number of excitation elements that are used to connect to the external circuit. If the antenna has one coupling element, then the shape of the antenna, that is, the shape of the dielectric and metal layers, is close to a square or circle, but does not coincide with them completely. When using two coupling elements, the antenna has a strictly round or square shape. More generally, its shape should have 90-degree rotation symmetry.

В антеннах и антенных решетках для СНС широкое применение нашли квадрифилярные спиральные антенны. Их можно разделить на полу вол новые КСА и четвертьволновые (см. Патент США №4008479, 1977 и Патент США №5138331, 1992). Эти антенны состоят из четырех спиральных излучателей, которые расположены с угловым сдвигом на 90 градусов друг относительно друга вокруг оси симметрии и электрически соединены в верхней точке. Спиральные излучатели обычно выполняются в виде изогнутых по спирали металлических проводников. Одним из основных достоинств КСА является направленность излучения, которая обусловлена формой ДН КСА, близкой ккардиоиде. Благодаря этому свойству параметры КСА слабо зависят от объекта, на котором она устанавливается. Это выгодно отличает ее, например, от нашедших широкое применение печатных антенн.Quadrifilar helical antennas are widely used in antennas and antenna arrays for SNS. They can be divided into half-wave and quarter-wave (see US Patent No. 4,008,479, 1977 and US Patent No. 5,138,331, 1992). These antennas consist of four helical radiators, which are located with an angular shift of 90 degrees relative to each other around the axis of symmetry and are electrically connected at the top point. Spiral radiators are usually made in the form of metal conductors bent in a spiral. One of the main advantages of the helical antennas is the radiation directionality, which is due to the shape of the helical antenna pattern, close to a cardioid. Due to this property, the parameters of the helical antennas weakly depend on the object on which it is installed. This distinguishes it favorably, for example, from the widely used printed antennas.

Для эффективного функционирования адаптивной решетки важным фактором является схема расположения элементарных излучателей. Как отмечено выше, обычно они размещаются на поверхности плоского металлического экрана. Известны различные схемы размещения элементарных излучателей на металлическом экране.For the effective functioning of the adaptive array, an important factor is the arrangement of the elementary emitters. As noted above, they are usually placed on the surface of a flat metal screen. Various arrangements of elementary emitters on a metal screen are known.

Излучатели могут располагаться в узлах прямоугольной сетки (см. Бененсон Л.С., Журавлев В.А., Попов СВ., Постнов Г.А. Антенные решетки: расчет и методы проектирования. М.: Сов. Радио, 1966, 368 с. ) по аналогии с фазированными антенными решетками. Такая схема размещения элементарных излучателей не является оптимальной для адаптивных решеток СНС. Ее недостатком является неоднородная в азимутальной плоскости структура. Поскольку паразитные сигналы могут приходить на антенную решетку с произвольного в азимутальной плоскости направления, то она должна формировать глубокие нули ДН для произвольных азимутальных углов, что требует повышенной однородности геометрической структуры решетки в указанной плоскости.The emitters can be located at the nodes of a rectangular grid (see Benenson L.S., Zhuravlev V.A., Popov S.V., Postnov G.A. Antenna arrays: calculation and design methods. Moscow: Sov. Radio, 1966, 368 p.) by analogy with phased antenna arrays. Such a scheme for placing elementary emitters is not optimal for adaptive SNS arrays. Its disadvantage is a non-uniform structure in the azimuthal plane. Since parasitic signals can arrive at the antenna array from an arbitrary direction in the azimuthal plane, it must form deep nulls of the RP for arbitrary azimuthal angles, which requires increased homogeneity of the geometric structure of the array in the specified plane.

Лучшими параметрами обладают кольцевые решетки. В такой решетке элементарные излучатели располагаются вдоль кольцевой линии, на одинаковом угловом расстоянии друг от друга (V. Zuniga, N. Haridas, А. Erdogan, Т. Arslan, Effect of a Central Antenna Element on the Directivity, Half-Power Beamwidth and Side-Lobe Level of Circular Antenna Arrays // 2009 NASA/ESA Conference on Adaptive Hardware and Systems, USA, San-Francisco, September 29.07-1.08 2009, DOI: 10.1109/AHS.2009.63.)The best parameters are those of ring arrays. In such an array, the elementary emitters are located along a ring line, at the same angular distance from each other (V. Zuniga, N. Haridas, A. Erdogan, T. Arslan, Effect of a Central Antenna Element on the Directivity, Half-Power Beamwidth and Side-Lobe Level of Circular Antenna Arrays // 2009 NASA/ESA Conference on Adaptive Hardware and Systems, USA, San-Francisco, September 29.07-1.08 2009, DOI: 10.1109/AHS.2009.63.)

В кольцевой решетке отсутствует физически выделенный опорный элементарный излучатель, относительно которого аппаратурой обработки сигналов рассчитываются коэффициенты, с которыми происходит их суммирование при цифровом формировании ДН. В качестве опорногоэлементарного излучателя может быть выбран любой элемент кольцевой решетки.In the ring array there is no physically allocated reference elementary radiator, relative to which the signal processing equipment calculates the coefficients with which they are summed during digital formation of the RP. Any element of the ring array can be selected as a reference elementary radiator.

При этом уже на этапе работы алгоритма формирования ДН возникает неоднородность в азимутальной плоскости, связанная с выделением из геометрически однородной решетки элементарных излучателей опорного излучателя.In this case, already at the stage of the operation of the DN formation algorithm, non-uniformity arises in the azimuthal plane, associated with the selection of a reference emitter from a geometrically homogeneous array of elementary emitters.

Данный недостаток преодолевается в схеме расположения элементарных излучателей типа звезда (К. Gyoda and Т. Ohira, Design of Electronically Steerable Passive Array Radiator (ESPAR) Antennas // IEEE Antennas and Propagation Society International Symposium, 16-21 July 2000, Salt Lake City, UT, USA, DOI: 10.1109/APS.2000.875370). В схеме звезда имеется N+1 элементарный излучатель. Из них N периферийных элементарных излучателей расположены на окружности радиуса R на одинаковом угловом расстоянии друг от друга, формируя кольцевую решетку. В центре окружности располагается центральный элементарный излучатель, который используется в качестве опорного. При такой конфигурации решетки обеспечивается максимальная однородность ее характеристик в азимутальной плоскости.This disadvantage is overcome in the star-type arrangement of elementary radiators (K. Gyoda and T. Ohira, Design of Electronically Steerable Passive Array Radiator (ESPAR) Antennas // IEEE Antennas and Propagation Society International Symposium, 16-21 July 2000, Salt Lake City, UT, USA, DOI: 10.1109/APS.2000.875370). In the star arrangement, there are N+1 elementary radiators. Of these, N peripheral elementary radiators are located on a circle of radius R at the same angular distance from each other, forming a ring array. In the center of the circle, there is a central elementary radiator, which is used as a reference. With such an array configuration, maximum homogeneity of its characteristics in the azimuthal plane is ensured.

Для эффективной работы адаптивной цифровой решетки важным фактором является динамический контроль и калибровка параметров, входящих в ее состав элементарных излучателей. Для этого в состав решетки вводят специальную систему калибровки. Наличие системы калибровки особенно важно для работы широкополосных адаптивных антенных решеток, к которым относятся антенны СНС. Система калибровки позволяет в динамическом режиме максимально сблизить времена групповой задержки в разных каналах решетки, что критически важно для функционирования алгоритмов цифрового формирования ДН.For the efficient operation of an adaptive digital array, an important factor is the dynamic control and calibration of the parameters of the elementary emitters included in its composition. For this purpose, a special calibration system is introduced into the array. The presence of a calibration system is especially important for the operation of broadband adaptive antenna arrays, which include SNS antennas. The calibration system allows, in dynamic mode, to bring the group delay times in different channels of the array as close as possible, which is critical for the operation of digital RP formation algorithms.

Известна кольцевая решетка с системой ее калибровки (Tian Li, Fu-Shun Zhang, Fan Zhang, Ya-Li Yao, and Li Jiang, Wideband and High-Gain Uniform Circular Array With Calibration Element for Smart Antenna Application// IEEE Antennas and wireless propagation letters, 2016, V. 15, №1, pp. 230-233. DOI: 10.1109/LAWP.2015.2438868). Система калибровки состоит из одного штыревого излучателя и схемы его питания. Штыревой излучатель располагается в центре кольцевой решетки симметрично относительно всех ее элементарных излучателей.A ring array with a calibration system is known (Tian Li, Fu-Shun Zhang, Fan Zhang, Ya-Li Yao, and Li Jiang, Wideband and High-Gain Uniform Circular Array With Calibration Element for Smart Antenna Application// IEEE Antennas and wireless propagation letters, 2016, Vol. 15, No. 1, pp. 230-233. DOI: 10.1109/LAWP.2015.2438868). The calibration system consists of one pin emitter and its power supply circuit. The pin emitter is located in the center of the ring array symmetrically relative to all its elementary emitters.

При подаче сигнала на вход схемы питания штыревой излучатель излучает в пространство однородную в азимутальной плоскости волну, которая принимается элементарными излучателями кольцевой решетки. В рабочем режиме сигналы с выходов элементарных излучателей должны иметь одинаковую амплитуду и фазу. Их отличие от номинальных значений используется аппаратурой обработки сигналов для коррекции коэффициентов суммирования при формировании ДН. Таким образом, в динамическом режиме осуществляется контроль работоспособности решетки и ее калибровка. Недостатком системы калибровки данного типа является невозможность ее применения в решетках, построенных по схеме звезда, что связано с тем, что область в центре решетки занята центральным элементарным излучателем.When a signal is applied to the input of the power supply circuit, the pin radiator emits a uniform wave in the azimuthal plane into space, which is received by the elementary radiators of the ring array. In the operating mode, the signals from the outputs of the elementary radiators must have the same amplitude and phase. Their difference from the nominal values is used by the signal processing equipment to correct the summation coefficients when forming the RP. Thus, in the dynamic mode, the operability of the array is monitored and calibrated. The disadvantage of this type of calibration system is the impossibility of its use in arrays constructed according to the star scheme, which is due to the fact that the area in the center of the array is occupied by the central elementary radiator.

Известны также системы калибровки фазированных антенных решеток, типовым техническим решением для которых является применение специальной калибровочной антенны, вынесенной за пределы решетки (Авторское свидетельство СССР №179800, Кл. G01R 29/10, Бубнов Г.Г. и др. Коммутационный метод измерения характеристик ФАР. М.: Радио и связь. 1988). Недостатком этого метода калибровки являются большие размеры системы калибровки, обусловленные необходимостью выноса калибровочной антенны в область ее дальней зоны. Такая конструкция решетки и системы ее калибровки делают невозможным их использование в аппаратуре СНС, которая устанавливается на мобильных носителях, таких как самолеты, вертолеты и т.д.Calibration systems for phased antenna arrays are also known, the typical technical solution for which is the use of a special calibration antenna located outside the array (USSR Author's Certificate No. 179800, Class G01R 29/10, Bubnov G.G. et al. Switching Method for Measuring Phased Array Characteristics. Moscow: Radio and Communications. 1988). The disadvantage of this calibration method is the large size of the calibration system, due to the need to move the calibration antenna to the far zone. This design of the array and its calibration system make it impossible to use them in SNS equipment installed on mobile carriers such as airplanes, helicopters, etc.

Наиболее близким к заявляемому техническому решению является антенная решетка, построенная по схеме звезда (G. Byun, S. Kim, and Н. Choo, Optimum Array Configuration to Improve the Null Steering Performance for CRPA Systems, Proceedings of ISAP 2014, Kaohsiung, Taiwan, Dec. 2-5, 2014, DOI: 10.1109/ISANP.2014.7026690). Она содержит N+1 печатных элементарных излучателей, которые расположены на поверхности металлического экрана по схеме звезда, включающей один центральный элементарный излучатель и N периферийных элементарных излучателей.The closest to the claimed technical solution is an antenna array constructed according to the star scheme (G. Byun, S. Kim, and H. Choo, Optimum Array Configuration to Improve the Null Steering Performance for CRPA Systems, Proceedings of ISAP 2014, Kaohsiung, Taiwan, Dec. 2-5, 2014, DOI: 10.1109/ISANP.2014.7026690). It contains N+1 printed elementary radiators, which are located on the surface of a metal screen according to the star scheme, including one central elementary radiator and N peripheral elementary radiators.

Недостатком прототипа является большая дисперсия группового времени задержки каналов антенной решетки - до величин порядка 10 нс.The disadvantage of the prototype is the large dispersion of the group delay time of the antenna array channels - up to values of the order of 10 ns.

Она обусловлена отсутствием в ее составе системы контроля и калибровки. При этом, как отмечалось выше, использование типовой системы калибровки, состоящей из одного штыревого излучателя, расположенного в центре решетки, а также схемы его питания, невозможно. В отсутствие системы калибровки дисперсия параметров определяется технологическим разбросом параметров элементарных излучателей, паразитной электромагнитной связью между ними, конструктивными особенностями реализации антенной решетки. Важно отметить, что характеристики каналов могут быть нестабильны во времени, вследствие ухода параметров электронных компонентов, входящих в состав канала из-за изменения температуры и других внешних факторов. Наличие дисперсии группового времени задержки в полосе рабочих частот снижает точность цифрового формирования ДН, в частности, степень подавления паразитных сигналов.It is caused by the absence of a control and calibration system in its composition. At the same time, as noted above, the use of a typical calibration system consisting of one pin radiator located in the center of the array, as well as its power supply circuit, is impossible. In the absence of a calibration system, the dispersion of parameters is determined by the technological spread of the parameters of elementary radiators, parasitic electromagnetic coupling between them, and design features of the implementation of the antenna array. It is important to note that the channel characteristics can be unstable over time due to the drift of the parameters of the electronic components included in the channel due to temperature changes and other external factors. The presence of group delay time dispersion in the operating frequency band reduces the accuracy of digital pattern formation, in particular, the degree of suppression of parasitic signals.

Задачей предлагаемой антенной решетки является снижение дисперсии группового времени задержки в каналах.The objective of the proposed antenna array is to reduce the dispersion of group delay time in channels.

Техническим результатом является увеличение уровня подавления паразитных сигналов до 10 дБ, т.е. в 10 раз по мощности.The technical result is an increase in the level of suppression of parasitic signals up to 10 dB, i.e. 10 times in power.

Также техническим результатом является повышение точности определения координат при использовании заявляемой в качестве изобретения антенной решетки в СНС.Another technical result is an increase in the accuracy of determining coordinates when using the antenna array claimed as an invention in the SNS.

Технический результат достигается за счет того, что в адаптивную антенную решетку дополнительно введена система калибровки, которая состоит из N штыревых излучателей и схемы питания штыревых излучателей, штыревые излучатели расположены на поверхности металлического экраны перпендикулярно его плоскости, вдоль кольцевой линии с центром, совпадающим с центром антенной решетки, система питания штыревых излучателей выполнена в виде делителя мощности, который содержит центральный порт и N периферийных портов, центральный порт делителя мощности соединен с блоком обработки сигналов, а периферийные порты делителя мощности соединены с входами штыревых излучателей, причем коэффициенты передачи из центрального порта делителя мощности в его периферийные порты имеют одинаковые амплитуды, а фазы коэффициентов передачи в соседние периферийные порты, смещенные друг относительно друга по часовой стрелке, отличаются на величину 2π/N+2πm, или -2π/N+2πm, m=…-1,0,1,….The technical result is achieved due to the fact that a calibration system is additionally introduced into the adaptive antenna array, which consists of N pin radiators and a pin radiator power supply circuit, the pin radiators are located on the surface of the metal screen perpendicular to its plane, along a ring line with a center coinciding with the center of the antenna array, the power supply system of the pin radiators is made in the form of a power divider, which contains a central port and N peripheral ports, the central port of the power divider is connected to the signal processing unit, and the peripheral ports of the power divider are connected to the inputs of the pin radiators, wherein the transmission coefficients from the central port of the power divider to its peripheral ports have the same amplitudes, and the phases of the transmission coefficients to adjacent peripheral ports, shifted relative to each other clockwise, differ by an amount of 2π/N+2πm, or -2π/N+2πm, m=…-1,0,1,….

Возможен дополнительный вариант выполнения адаптивной антенной решетки, в котором штыревые излучатели выполнены одинаковыми, их длина выбрана меньшей 0.25λ, где λ - длина волны свободного пространства на центральной частоте рабочего диапазона антенной решетки, а в периферийные порты делителя мощности параллельно им включены резисторы.An additional version of the adaptive antenna array is possible, in which the pin radiators are made identical, their length is chosen to be less than 0.25λ, where λ is the wavelength of free space at the central frequency of the operating range of the antenna array, and resistors are connected in parallel to them in the peripheral ports of the power divider.

Вариант выполнения адаптивной антенной решетки представлен на фиг. 1,2. На фиг. 1 показан общий вид адаптивной антенной решетки, а на фиг.2 изображена ее структурная схема. Адаптивная антенная решетка состоит из металлического экрана 1, имеющего форму диска, N+1 элементарных излучателей (N=6). Шесть периферийных излучателей 2 расположены на окружности на одинаковом угловом расстоянии друг от друга, равном 60°. Центральный элементарный излучатель 3 расположен в центре указанной окружности. В качестве элементарных излучателейвыбраны печатные излучатели, имеющие в сечении форму квадрата. Такие антенны могут работать с волнами круговой поляризации, которая используется в СНС.An embodiment of the adaptive antenna array is shown in Fig. 1, 2. Fig. 1 shows the general view of the adaptive antenna array, and Fig. 2 shows its structural diagram. The adaptive antenna array consists of a metal screen 1, having the shape of a disk, N+1 elementary radiators (N=6). Six peripheral radiators 2 are located on a circle at the same angular distance from each other, equal to 60°. The central elementary radiator 3 is located in the center of the said circle. Printed radiators having the shape of a square in cross-section are selected as elementary radiators. Such antennas can operate with circularly polarized waves, which is used in the SNS.

В состав адаптивной антенной решетки входят шесть штыревых излучателей 4, имеющих форму металлического цилиндра высотой h. Они ориентированы перпендикулярно металлическому экрану 1 и расположены на окружности, центр которой совпадает с центром окружности, на которой расположены периферийные элементарные излучатели 2. Выходы элементарных излучателей 7 соединены со входами блока обработки сигналов 5.The adaptive antenna array includes six pin radiators 4, having the shape of a metal cylinder of height h. They are oriented perpendicular to the metal screen 1 and are located on a circle, the center of which coincides with the center of the circle on which the peripheral elementary radiators 2 are located. The outputs of the elementary radiators 7 are connected to the inputs of the signal processing unit 5.

Входы штыревых излучателей 8 соединены с периферийными портами 9 многоканального делителя мощности 6, а его центральный порт 10 подключен к блоку обработки сигналов 5.The inputs of the pin emitters 8 are connected to the peripheral ports 9 of the multichannel power divider 6, and its central port 10 is connected to the signal processing unit 5.

Многоканальный делитель мощности может быть выполнен в виде микрополосковой схемы. Ее полосковые проводники расположены на поверхности диэлектрической подложки. Противоположная сторона подложки примыкает к поверхности металлического экрана 1, свободной от элементарных излучателей 2,3 и штыревых излучателей 4. Таким образом, металлический экран 1 одновременно выполняет функцию экрана (общего проводника) микрополосковой схемы.The multichannel power divider can be implemented as a microstrip circuit. Its strip conductors are located on the surface of the dielectric substrate. The opposite side of the substrate adjoins the surface of the metal screen 1, free from elementary emitters 2,3 and pin emitters 4. Thus, the metal screen 1 simultaneously performs the function of the screen (common conductor) of the microstrip circuit.

Топология полосковых проводников показана на фиг. 3. В данном варианте многоканальный делитель мощности 6 состоит из элементарных делителей мощности на два и три канала. Общее число выходных микрополосковых линий 11 равно шести. Длины микрополосковых линий, соединяющие элементарные делители мощности, выбраны таким образом, что при одинаковой длине выходных микрополосковых линий 11 коэффициенты передачи T_n с центрального порта 10 на периферийные порты 9 многоканального делителя мощности 6 имеют одинаковые фазы и амплитуды. Здесь n=1…6 - номер периферийного порта 9 многоканального делителя мощности 6. Периферийные порты 9 соединены с выходамиштыревых излучателей 4 и, следовательно, расположены на окружности, на которой расположены штыревые излучатели 4. При этом номера периферийных портов 9 возрастают по часовой стрелке. Возможна обратная нумерация портов против часовой стрелки. В варианте выполнения многоканального делителя мощности 6, показанном на фиг. 3 выходные микрополосковые линии 11 имеют разные длины. Для периферийных портов с номерами m и m+1, m=1…N-1 они отличаются на величину ΔL:The topology of strip conductors is shown in Fig. 3. In this embodiment, the multichannel power divider 6 consists of elementary power dividers for two and three channels. The total number of output microstrip lines 11 is six. The lengths of the microstrip lines connecting the elementary power dividers are selected in such a way that with the same length of the output microstrip lines 11, the transfer coefficients T _n from the central port 10 to the peripheral ports 9 of the multichannel power divider 6 have the same phases and amplitudes. Here n = 1 ... 6 is the number of the peripheral port 9 of the multichannel power divider 6. The peripheral ports 9 are connected to the outputs of the pin emitters 4 and, therefore, are located on the circle on which the pin emitters 4 are located. In this case, the numbers of the peripheral ports 9 increase clockwise. Reverse numbering of the ports counterclockwise is possible. In the embodiment of the multichannel power divider 6 shown in Fig. 3, the output microstrip lines 11 have different lengths. For peripheral ports with numbers m and m+1, m=1…N-1, they differ by the value ΔL:

где N=6, U - коэффициент замедления микрополосковой линии 11. При таком выборе длин выходных микрополосковых линий 11 фазы коэффициентов передачи T_n в соседних периферийных портах отличаются на величину -2π/N.where N=6, U is the slowdown factor of the microstrip line 11. With this choice of the lengths of the output microstrip lines 11, the phases of the transmission coefficients T _n in adjacent peripheral ports differ by -2π/N.

Выбирая параметр ΔL из условияChoosing the parameter ΔL from the condition

мы обеспечиваем отличие фаз коэффициентов передачи T_n в соседних периферийных портах на величину 2π/N.we ensure that the phase difference of the transmission coefficients T _n in adjacent peripheral ports is 2π/N.

Присвоим, как показано на фиг. 5, штыревым излучателям 4 номера n=1…6, соответствующие номерам периферийных портов 9, с которыми соединены их выходы. Аналогично, пусть номер n, совпадающий с номером ближайшего к нему штыревого излучателя 4, имеет каждый периферийный элементарный излучатель 3.As shown in Fig. 5, we assign numbers n=1…6 to the pin emitters 4, corresponding to the numbers of the peripheral ports 9, to which their outputs are connected. Similarly, let each peripheral elementary emitter 3 have a number n that coincides with the number of the pin emitter 4 closest to it.

Дополнительный вариант выполнения адаптивной антенной решетки показан на фиг. 4. В нем штыревые излучатели 4 выполнены с длиной h, меньшей четверти длины волны в свободном пространстве, а между выходом 8 штыревого излучателя 4 и металлическим экраном 1 включен резистор р.An additional embodiment of the adaptive antenna array is shown in Fig. 4. In it, the pin radiators 4 are made with a length h that is less than a quarter of the wavelength in free space, and a resistor p is connected between the output 8 of the pin radiator 4 and the metal screen 1.

Рассмотрим работу адаптивной антенной решетки в режиме калибровки. В основном варианте выполнения на центральный порт 10 многоканального делителя мощности 6 из блока обработки сигналов 5 привыполнении условия (1) поступает тестовый сигнал, который передается на периферийные порты 9 с коэффициентами передачи T_n Let us consider the operation of the adaptive antenna array in the calibration mode. In the basic embodiment, a test signal is sent to the central port 10 of the multichannel power divider 6 from the signal processing unit 5 when condition (1) is met, which is transmitted to the peripheral ports 9 with transmission coefficients T _n

где ϕ₀ - некоторая начальная фаза, величина которой не имеет значения.where ϕ ₀ is some initial phase, the value of which does not matter.

Сигналы с периферийных портов 9 многоканального делителя мощности 6 поступают на входы штыревых излучателей 4, которые, в свою очередь, возбуждают электромагнитные поля в свободном пространстве. Как видно из фиг.1, расстояние от штыревого излучателя с номером n до периферийного элементарного излучателя 2 с тем же номером n существенно меньше расстояния от «-ого штыревого излучателя 4 до других периферийных элементарных излучателей 2. По этой причине штыревые излучатели 4 и периферийные элементарные излучатели 2 с одинаковыми номерами взаимодействуют друг с другом через ближние поля высокой интенсивности. В тоже время взаимодействие с другими элементарными излучателями 2,3 происходит через поля излучения, которые имеют существенно меньшую амплитуду. По этой причине периферийный элементарный излучатель 2 принимает сигнал только от штыревого излучателя 4 с тем же номером. Этот сигнал имеет амплитуду и фазу, которая полностью определяется коэффициентами передачи (3).Signals from peripheral ports 9 of multichannel power divider 6 arrive at inputs of pin emitters 4, which, in turn, excite electromagnetic fields in free space. As can be seen from Fig. 1, the distance from pin emitter with number n to peripheral elementary emitter 2 with the same number n is significantly less than the distance from the n-th pin emitter 4 to other peripheral elementary emitters 2. For this reason, pin emitters 4 and peripheral elementary emitters 2 with the same numbers interact with each other through high-intensity near fields. At the same time, interaction with other elementary emitters 2,3 occurs through radiation fields that have a significantly smaller amplitude. For this reason, peripheral elementary emitter 2 receives a signal only from pin emitter 4 with the same number. This signal has an amplitude and phase that is completely determined by the gain coefficients (3).

Расстояние от штыревых излучателей 4 до центрального элементарного излучателя 3 существенно больше, чем расстояние между штыревыми излучателями 4 и периферийными элементарными излучателями 2 с одинаковыми номерами. Поэтому взаимодействие в данном случае происходит через волны излучения.The distance from the pin emitters 4 to the central elementary emitter 3 is significantly greater than the distance between the pin emitters 4 and the peripheral elementary emitters 2 with the same numbers. Therefore, the interaction in this case occurs through radiation waves.

Положение штыревых излучателей 4 на плоскости металлического экрана определяется углами ϕ_n=2π(n-1)/N+α₀ и радиусом r. Здесь α₀ - угол, определяющий положение первого штыревого излучателя 4. Сигнал, принятый центральным элементарным излучателем 3, пропорционаленпроизведению его диаграммы направленности в азимутальной плоскости F_c(ϕ) на диаграмму направленности штыревого излучателя 4 в той же плоскости F_s(ϕ), которая близка к однородной: F_s(ϕ)=C. Диаграмма направленности центрального элементарного излучателя 3 при работе на волнах круговой поляризации описывается экспоненциальной функцией:The position of the pin radiators 4 on the plane of the metal screen is determined by the angles ϕ _n = 2π(n-1)/N+α ₀ and the radius r. Here α ₀ is the angle determining the position of the first pin radiator 4. The signal received by the central elementary radiator 3 is proportional to the product of its radiation pattern in the azimuthal plane F _c (ϕ) and the radiation pattern of the pin radiator 4 in the same plane F _s (ϕ), which is close to uniform: F _s (ϕ) = C. The radiation pattern of the central elementary radiator 3 when operating on circularly polarized waves is described by an exponential function:

Знак в показателе экспоненты зависит от вида круговой поляризации: правой (плюс) или левой (минус). Таким образом, сигнал, принятый центральным элементарным излучателем U_c при его работе на волнах левой круговой поляризации можно представить следующим образом:The sign in the exponent depends on the type of circular polarization: right (plus) or left (minus). Thus, the signal received by the central elementary emitter U _c when it operates on waves of left circular polarization can be represented as follows:

где А - амплитудный множитель, не зависящий от азимутального угла. Он определяется конструкцией и параметрами излучателей. Как видно из соотношений (3)-(5) знак в показателе экспоненты (3) противоположен знаку в показателе экспонент (4), (5). Поэтому для амплитуды принятого сигнала получаем:where A is the amplitude multiplier, independent of the azimuth angle. It is determined by the design and parameters of the emitters. As can be seen from relations (3)-(5), the sign in the exponent (3) is opposite to the sign in the exponent (4), (5). Therefore, for the amplitude of the received signal we obtain:

Выбирая параметр ΔL из условия (2), мы получаем коэффициенты передачи T_n с центрального порта 10 многоканального делителя мощности 6 на периферийные порты 9 в виде вид аналогичном (3), но с противоположным знаком в экспоненте:By selecting the parameter ΔL from condition (2), we obtain the transmission coefficients T _n from the central port 10 of the multichannel power divider 6 to the peripheral ports 9 in a form similar to (3), but with the opposite sign in the exponent:

Этот случай соответствует работе центрального элементарного излучателя 3 на волнах правой круговой поляризации (знак плюс в экспоненте (4)). С учетом указанных изменений амплитуда принятого сигнала этим излучателем по-прежнему описывается соотношением (6). Таким образом, как для правой, так и для левой круговой поляризаций обеспечиваются условия, при которых сигналы от всех штыревых излучателей 4 складываются в центральном элементарном излучателе 3 синфазно. Следовательно, обеспечивается максимальная эффективность их взаимодействия через волны излучения.This case corresponds to the operation of the central elementary radiator 3 on waves of right circular polarization (the plus sign in the exponent (4)). Taking into account the indicated changes, the amplitude of the signal received by this radiator is still described by the relation (6). Thus, for both right and left circular polarizations, conditions are ensured under which the signals from all pin radiators 4 are added in phase in the central elementary radiator 3. Consequently, the maximum efficiency of their interaction via radiation waves is ensured.

Сигналы, принятые периферийными и центральным элементарными излучателями 2,3, поступают в блок обработки сигналов 5, где они сравниваются с эталонными значениями, которые хранятся в памяти устройства. На основании сравнения вычисляются поправочные коэффициенты, на которые умножаются сигналы с выходов центрального и периферийных элементарных излучателей 2,3. Таким образом, параметры каналов адаптивной антенной решетки максимально приближаются к своим эталонным значениям, уменьшается разброс указанных параметров, обусловленный уходом параметров электронных компонентов из-за влияния различных факторов. Применение системы калибровки в решетке, построенной по схеме звезда, уменьшает также дисперсию группового времени задержки в каналах.The signals received by the peripheral and central elementary emitters 2,3 are fed to the signal processing unit 5, where they are compared with the reference values stored in the device memory. Based on the comparison, correction factors are calculated, by which the signals from the outputs of the central and peripheral elementary emitters 2,3 are multiplied. Thus, the parameters of the channels of the adaptive antenna array are maximally close to their reference values, the spread of the specified parameters, caused by the drift of the parameters of the electronic components due to the influence of various factors, is reduced. The use of a calibration system in a star-shaped array also reduces the dispersion of the group delay time in the channels.

В рабочем режиме элементарные излучатели 2,3 принимают полезные сигналы от навигационных спутников, а также паразитные сигналы помех. Полезные сигналы являются сигналами малой интенсивности, которая находится ниже уровня собственных шумов блока обработки сигналов 5. Сигналы помех, наоборот, существенно превышают уровень собственных шумов. Задачей блока обработки сигналов 5 является подавление сигналов помех, что эквивалентно формированию нулей диаграммы направленности адаптивной антенной решетки в направлениях прихода сигналов помех. Данная задача решается при помощи специальных алгоритмов адаптации, которые вычисляют коэффициенты, с которыми суммируются сигналы от элементарных излучателей 2,3. Предварительно указанные сигналы умножаются на поправочные коэффициенты, определенные в режиме калибровки. Скорректированные сигналы обрабатываются алгоритмомадаптации и суммируются с найденными алгоритмом адаптации коэффициентами. В результате обеспечивается подавление сигналов помех до уровня, при котором возможна обработка полезных сигналов малой интенсивности. Применение адаптивной антенной решетки и системы ее калибровки позволяет увеличить уровень подавления помеховых сигналов на 10 дБ. Сигнал, полученный в результате суммирования, далее преобразуется в блоке обработки сигналов с целью определения координат объекта.In the operating mode, elementary emitters 2,3 receive useful signals from navigation satellites, as well as parasitic interference signals. Useful signals are low-intensity signals, which are below the level of the proper noise of the signal processing unit 5. Interference signals, on the contrary, significantly exceed the level of the proper noise. The task of the signal processing unit 5 is to suppress interference signals, which is equivalent to the formation of zeros in the radiation pattern of the adaptive antenna array in the directions of arrival of interference signals. This task is solved using special adaptation algorithms that calculate the coefficients with which the signals from elementary emitters 2,3 are summed. The pre-specified signals are multiplied by the correction coefficients determined in the calibration mode. The corrected signals are processed by the adaptation algorithm and summed with the coefficients found by the adaptation algorithm. As a result, interference signals are suppressed to a level at which processing of useful low-intensity signals is possible. The use of an adaptive antenna array and its calibration system makes it possible to increase the level of interference signal suppression by 10 dB. The signal obtained as a result of summation is then converted in the signal processing unit in order to determine the coordinates of the object.

Во втором дополнительном варианте выполнения адаптивной антенной решетки штыревые излучатели 4 выполнены одинаковыми, а их длина выбрана меньшей четверти длины волны свободного пространства на центральной частоте рабочего диапазона решетки. За счет идентичности параметров штыревых излучателей 4 достигается идентичность эталонных сигналов, используемых в процессе калибровки адаптивной антенной решетки, что делает процедуру калибровки проще и сокращает затраты вычислительных ресурсов блока обработки сигналов 5.In the second additional embodiment of the adaptive antenna array, the pin radiators 4 are made identical, and their length is selected to be less than a quarter of the wavelength of free space at the central frequency of the array's operating range. Due to the identity of the parameters of the pin radiators 4, the identity of the reference signals used in the process of calibrating the adaptive antenna array is achieved, which makes the calibration procedure simpler and reduces the computational costs of the signal processing unit 5.

При выборе длины штыревых излучателей 4 меньшей четверти длины волны в свободном пространстве снижается излучательная способность штыревого излучателя. При этом взаимодействие штыревых излучателей 4 с соседними периферийными элементарными излучателями 2 практически не меняется, так как оно происходит через реактивные ближние поля. Одновременно нежелательное взаимодействие штыревых излучателей 4 с удаленными периферийными элементарными излучателями 2 ослабляется, так как оно происходит через поля излучения. Одновременно ослабляется также полезное взаимодействие штыревых излучателей 4 с центральным элементарным излучателем 3 решетки. Однако благодаря синфазному сложению калибровочных сигналов в этом элементарном излучателе общий их уровень увеличивается в N раз по амплитуде что компенсирует отмеченное ослабление.When choosing the length of the pin radiators 4 less than a quarter of the wavelength in free space, the emissivity of the pin radiator is reduced. In this case, the interaction of the pin radiators 4 with the neighboring peripheral elementary radiators 2 practically does not change, since it occurs through reactive near fields. At the same time, the undesirable interaction of the pin radiators 4 with the remote peripheral elementary radiators 2 is weakened, since it occurs through radiation fields. At the same time, the useful interaction of the pin radiators 4 with the central elementary radiator 3 of the array is also weakened. However, due to the in-phase addition of the calibration signals in this elementary radiator, their total level increases by N times in amplitude, which compensates for the noted weakening.

При выборе длин штыревых излучателей 4 меньшими четверти длины волны в свободном пространстве входное сопротивление Z_s штыревого излучателя 4 становится комплексным числом с большой мнимой частью X_s:When choosing the lengths of the pin emitters 4 to be less than a quarter of the wavelength in free space, the input resistance Z _s of the pin emitter 4 becomes a complex number with a large imaginary part X _s :

имеющей емкостной характер: X_s<0. Действительная часть входного сопротивления R_s, наоборот, уменьшается по сравнению с резонансным случаем, соответствующем длине штыря в четверть длины волны.having a capacitive character: X _s <0. The real part of the input resistance R _s , on the contrary, decreases compared to the resonant case, corresponding to a pin length of a quarter of the wavelength.

При таком изменении входного сопротивления происходит рассогласование штыревого излучателя 4 с многоканальным делителем мощности 6. Данный эффект является нежелательным, так как из-за него возникает неравномерность частотной характеристики калибровочной системы, что снижает эффективность процедуры калибровки. Для уменьшения рассогласования в периферийные порты 9 многоканального делителя мощности 6 параллельно портам 8 штыревых излучателей 4 включены резисторы. Сопротивление резисторов р выбрано большим, чем характеристическое сопротивление Z_c периферийных портов 9 многоканального делителя мощности 6. Общее сопротивление нагрузки Z_i, периферийных портов 9 многоканального делителя мощности 6 после подключения резисторов определяется следующим выражением:With such a change in the input resistance, a mismatch occurs between the pin emitter 4 and the multichannel power divider 6. This effect is undesirable, since it causes unevenness in the frequency response of the calibration system, which reduces the efficiency of the calibration procedure. To reduce the mismatch, resistors are connected in parallel to the ports 8 of the pin emitters 4 in the peripheral ports 9 of the multichannel power divider 6. The resistance of the resistors p is chosen to be greater than the characteristic resistance Z _c of the peripheral ports 9 of the multichannel power divider 6. The total load resistance Z _i , of the peripheral ports 9 of the multichannel power divider 6 after connecting the resistors is determined by the following expression:

На фиг.6 показаны зависимости коэффициента стоячей волны (КСВ) от сопротивления резистора р для штыревых излучателей длиной l при l=0.05 λ, l=0.1 λ, и l=0.15 λ и Z_c=50 Ом (кривые 1-3). Как видно, оптимальное значение р при l=0.15λ и меньше лежит в пределах от 0.8Z_c=40 до 1.2Z_c=60 Ом, при этом КСВ не превышает значения 1.6, что обеспечивает достаточную для практических целей равномерность частотных характеристик элементов калибровочной системы.Fig. 6 shows the dependences of the standing wave ratio (SWR) on the resistor resistance p for pin radiators of length l at l=0.05 λ, l=0.1 λ, and l=0.15 λ and Z _c =50 Ohm (curves 1-3). As can be seen, the optimal value of p at l=0.15λ and less lies within the range from 0.8Z _c =40 to 1.2Z _c =60 Ohm, while the SWR does not exceed the value of 1.6, which ensures the uniformity of the frequency characteristics of the elements of the calibration system that is sufficient for practical purposes.

Устранение рассогласования периферийных портов 9 и вызванной им неравномерности частотной характеристики дополнительно снижает разброспараметров каналов адаптивной антенной решетки и повышает эффективность работы системы калибровки.Elimination of the mismatch of peripheral ports 9 and the resulting unevenness of the frequency response additionally reduces the spread of the adaptive antenna array channel parameters and increases the efficiency of the calibration system.

Таким образом, заявляемая антенная решетка решает поставленную задачу уменьшения дисперсии группового времени задержки каналов адаптивной антенной решетки до допустимой величины 0.2 нс.Thus, the claimed antenna array solves the stated problem of reducing the dispersion of the group delay time of the channels of the adaptive antenna array to an acceptable value of 0.2 ns.

Наряду с этим положительный технический результат, достигаемый за счет применения заявляемой антенной решетки состоит в повышении уровня подавления сигналов помех на 10 дБ и в реализации функции полного контроля работоспособности системы.Along with this, the positive technical result achieved through the use of the claimed antenna array consists in increasing the level of suppression of interference signals by 10 dB and in implementing the function of complete control of the system’s operability.

Claims

1. An antenna array containing N+1 elementary radiators which are arranged on the surface of a metal screen in a star pattern including one central elementary radiator and N peripheral elementary radiators, as well as a signal processing unit which is connected to the outputs of the elementary radiators, characterized in that a calibration system is additionally introduced into the antenna array which consists of N pin radiators and a power supply circuit for the pin radiators, the pin radiators are arranged on the surface of the metal screen perpendicular to its plane, along a ring line with a center coinciding with the center of the antenna array, the power supply system for the pin radiators is made in the form of a power divider which contains a central port and N peripheral ports, the central port of the power divider is connected to the signal processing unit, and the peripheral ports of the power divider are connected to the inputs of the pin radiators, wherein the transmission coefficients from the central port of the power divider to its peripheral ports have the same amplitudes, and the phases of the transmission coefficients in adjacent peripheral ports, shifted relative to each other clockwise, differ by 2π/N+2πm or -2π/N+2πm, m=… -1,0,1,… .

2. An antenna array according to item 1, characterized in that the pin radiators are made identical, their length is selected to be less than 0.25λ, where λ is the wavelength of free space at the central frequency of the operating range of the antenna array, and resistors are connected in parallel to the radiators in the peripheral ports of the power divider.