на правах рукописи

ГНЕДАК Павел Викторович

ФАЗОВЫЙ СИНТЕЗ НУЛЕЙ В ДИАГРАММАХ НАПРАВЛЕННОСТИ АПЕРТУРНЫХ АНТЕНН НА ОСНОВЕ МЕТОДА АПЕРТУРНЫХ ОРТОГОНАЛЬНЫХ ПОЛИНОМОВ

Специальность 05.12.07.

Антенны, устройства СВЧ и их технологии

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Москва - 2009

Работа выполнена на кафедре Антенные устройства и распространение радиоволн Московского энергетического института (технического университета).

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

ГУСЕВСКИЙ Владлен Ильич

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук

КРАВЧЕНКО Виктор Филиппович

кандидат технических наук

ШКОЛЬНИКОВ Анатолий Михайлович

Ведущая организация: ОАО ВПК НПО Машиностроения

(г.Реутов, М/О)

Защита состоится 12 ноября 2009 г. в 15.30 на заседании диссертационного совета Д 212.157.05 при Московском энергетическом институте (техническом университете) по адресу: 111250, Москва, Красноказарменная ул., д 17, аудитория А-402.

Отзывы в двух экземплярах, заверенные печатью, просим направлять по адресу: 111250, Москва, Красноказарменная ул., д. 14, Ученый совет МЭИ (ТУ).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского энергетического института (технического университета).

Автореферат разослан л____ октября 2009 г..

Ученый секретарь

диссертационного совета Д 212.157.05

кандидат технических наук, доцент Т.И. КУРОЧКИНА

Общая характеристика работы

Введение. Актуальность проблемы. Разработанный в последние годы метод апертурных ортогональных полиномов (АОП) применяется в ряде задач антенной техники, прежде всего для антенн с электронным управлением диаграммой направленности (ДН) с целью повышения точности ориентации лучей ДН в заданных направлениях, в том числе в условиях действия помеховых сигналов.

Обеспечение работоспособности радиолокационных станций (РЛС) и информационных систем в сложной помеховой обстановке - одна из актуальных задач при их практической реализации. Существенный вклад в развитие данного направления внесли работы Монзинго Р.А., Миллера Т.У., Аппелебаума С.П., Пистолькорса А.А., Литвинова О.С., Ширмана Я.Д., Уидроу Б., Гейбриела В., Хзмаляна А.Д., Кондратьева А.С., Хаупта Х., Стейскла Х., Бучи О.М., Гусевского В.И. и других авторов.

Формирование необходимой ДН применительно к многоэлементным антеннам и, в частности, к антенным решеткам (АР), можно обеспечить двумя группами методов. Первая группа методов предполагает синтез ДН по априорной информации об угловых координатах целей и помех. Вторая группа методов использует адаптивную настройку вектора весовых коэффициентов (ВВК) при неизвестных данных о положении помехи.

Большинство методов и алгоритмов формирования провалов в направлениях прихода помеховых сигналов, попадающих в рабочую полосу защищаемых радиосистем, опираются на упрощенную модель АР, состоящих из точечных изотропных излучателей с индивидуальными парциальными каналами. В этих каналах осуществляется регулировка комплексных коэффициентов передачи по критериям, например, максимального отношения сигнал/помеха или среднеквадратической близости к принимаемому сигналу.

В настоящее время одним из основных способов борьбы с активными помехами, создаваемыми специальными постановщиками, является формирование нулей (провалов) ДН в известном направлении постановщика помех (ПП), т.е. пространственная фильтрация сигналов и помех.

Наиболее распространен метод фазового синтеза провалов в ДН и регулировки ширины луча в силу простоты практической реализации, заключающейся в использовании проходных или отражательных фазовращателей в парциальных каналах фазированных антенных решеток (ФАР). Здесь нужно отметить работы Стейскла Х, Хзмаляна А.Д., Кондратьева А.С., Грибанова А.Н., Кашина В.А., Джигана В.И., Незлина Д.В и др. Так как задачи фазового синтеза относятся к нелинейным задачам математического программирования, а целевые функции обладают многоэкстремальными свойствами, возникают вопросы выхода на оптимальные решения (глобальный экстремум) и их устойчивости, которые решаются путем численной оптимизации множества вариантов, в частности, на основе градиентных оценок.

Метод АОП, применяемый в работе, является развитием и обобщением метода наименьших квадратов, который использовался в работах Вендика О.Г. для определения угловой ориентации эквивалентного плоского фронта, Шифрина Я.С. для выделения первых моментов функции фазового распределения поля в раскрыве антенны, Хетчера Б. для определения минимального углового смещения луча ДН в задаче нелинейного фазирования.

Отличие алгоритмов управления на основе метода АОП от существующих состоит в том, что ортогональные представления фазовых распределений поля непосредственно в плоских раскрывах апертурных антенн позволяют осуществить направленное формирование фазовых искажений, описываемых ортогональными гармониками во всем раскрыве, которые обеспечивают заданный вид ДН антенны в дальней зоне. Наборы ортогональных функций полиномиального типа зависят от геометрии плоского раскрыва и известного амплитудного распределения в нем, поэтому метод АОП распространяется на плоские раскрывы произвольной формы, в том числе и многосвязные. Синтез фазовых распределений (ФР), обеспечивающих провалы в заданных направлениях проводятся с использованием высших гармоник фазового распределения, ортогональных первой гармонике, несущей ответственность за ориентацию луча плоского раскрыва. Фазовые искажения вносятся всеми элементами раскрыва в смысле наилучшего среднеквадратического приближения, поэтому такие искажения являются устойчивыми по отношению к случайным колебаниям амплитуд и фаз отдельных элементов, например, при выходе элементов из строя. Также метод АОП дает возможность определения в раскрыве антенны групп элементов с максимальным влиянием на формирование определенных гармоник фазового распределения и, соответственно, это может ускорить процедуру поиска фазовых распределений в реальном масштабе времени, гарантирующих провалы в ДН.

Метод АОП может эффективно применяться в линейных АР за счет простоты вычислительных процедур в реальном масштабе времени, однако вычислительные трудности возрастают в случае применения метода в задаче формирования провалов для плоских, в том числе составных раскрывов, с произвольной границей контура. Тем не менее, если амплитудное распределение стабильно, то набор ортогональных полиномов остается неизменным во всем секторе сканирования, это позволяет также ускорить время вычислений за счет предварительного определения последовательности полиномов. Таким образом, совершенствование вычислительных процедур в методе АОП для формирования провалов в ДН плоских раскрывов является весьма актуальной.

В последнее время значительное внимание уделяется созданию помехозащищенных зеркальных антенн (ЗА). В частности, один из сформировавшихся в последнее время подходов, заключается в коррекции амплитудно-фазового распределения (АФР) в раскрыве зеркала. В этом отношении можно выделить работы Хаупта Р., Джакованко Д., в которых для нахождения АФР, позволяющего сформировать провал в ДН в заданном направлении, использовался генетический алгоритм, сводящийся, по-сути, к перебору вариантов расположения пассивных рассеивателей в зеркале, с помощью которых в заданном направлении результирующей ДН создается провал. Этот подход не гарантирует получение оптимального варианта структуры рассеивателей. В этой связи, актуальна задача нахождения более обоснованного и результативного алгоритма, позволяющего однозначно определять геометрию расположения и вид рассеивателей, позволяющие получить приемлемую глубину провала при минимальном снижении коэффициента усиления.

Цель и задачи исследования. Главная цель проведенной работы заключалась в исследовании и расширении возможностей метода АОП при его использовании в качестве алгоритма фазового синтеза нулей в ДН в фиксированных угловых направлениях плоских ФАР произвольной формы и его распространение для задач фазового синтеза нулей в ДН зеркальных антенн.

В процессе исследований возможностей метода АОП необходимо было найти и обосновать алгоритмы резкого сокращения вычислительных процедур для многоэлементных плоских ФАР произвольной формы, в том числе многосвязных, состоящих из нескольких тысяч и десятков тысяч элементов.

Методы исследования. В работе использованы методы математического программирования, численного расчета и анализа полей в дальней зоне с помощью программ, а также натурные испытания.

Научная новизна. - Впервые предложен метод фазового синтеза провалов ДН плоских антенн произвольной формы, в том числе многосвязных, с помощью эквивалентного линейного раскрыва. Путем численного моделирования показана адекватность результатов синтеза фазового распределения плоской антенны и эквивалентного линейного раскрыва в фиксированном сечении пространственной ДН. Обоснован обратный переход от АФР линейного эквивалентного раскрыва к плоскому. При этом продемонстрирована эффективность метода, снижающего временные затраты вычислительных процедур.

- Метод АОП, предназначенный ранее для построения алгоритмов управления параметрами только ФАР, впервые распространен для формирования провалов в ДН зеркальных антенн.

- На основе модели зеркальной антенны с рассеивающими элементами на внутренней поверхности зеркала в виде диэлектрических и металлических пластин определенной геометрии впервые обоснован новый подход к задаче фазового синтеза нулей в ДН в фиксированных направлениях прихода помех. В этом случае необходимые фазовые искажения волнового фронта создаются непосредственно в ближней зоне антенного раскрыва, без традиционного включения управляемых элементов в фидерный тракт. Такая постановка задачи оправдана, например, для базовых станций систем сотовой связи в городских условиях с известными фиксированными направлениями прихода помех.

Практическое значение работы. Продемонстрированные и обоснованные в диссертационной работе фазовые методы формирования нулей в ДН обеспечивают расширение функциональных свойств РЛС и живучести ФАР произвольной формы, радиосистем с зеркальными антеннами, как находящимися в эксплуатации, так и вновь разрабатываемыми. Методика доведена до расчетных алгоритмов и программных реализаций.

Полученные результаты исследований позволяют на этапе разработки помехозащищенных ФАР или зеркальной антенны с учетом используемых параметров раскрыва, амплитудного распределения и требований к помехозащищенности эффективно и быстро определить потенциальные возможности системы любой геометрии. С помощью приведенных моделей можно сравнительно быстро рассчитать необходимые фазовые распределения и соотнести их с возможностями системы. Непосредственно в процессе работы ФАР приведенные быстродействующие оптимальные алгоритмы могут быть использованы в реальном масштабе времени.

Разработанные методики и полученные результаты исследований могут быть использованы при разработке активных или пассивных ФАР или зеркальных антенн, приемных или передающих, устанавливаемых на борту авиационных, космических и морских носителях и наземных станциях.

Результаты работы использовались в учебном процессе при чтении спецкурсов Космические линии связи и ФАР в информационных и радиолокационных системах на кафедре АУиРРВ МЭИ (ТУ).

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались на 7-ми научно-технических конференциях: 13-я, 14-я, 15-я Международная научно-техническая конференция студентов и аспирантов. МЭИ, 1-2 марта 2007-2009гг.; Международная научно-техническая конференция, посвященная 100-летию со дня рождения В.А. Котельникова. МЭИ. 21-23 октября 2008;

XI Международная школа-семинар Электродинамика и техника СВЧ, КВЧ и оптических частот, Фрязино. 15-19 сентября 2007; Международная научная конференция Излучение и рассеяние электромагнитных волн (ИРЭМВ-2007), Таганрог, 25-30 июня 2007; 3-й Международный радиоэлектронный форум Прикладная радиоэлектроника. Состояние и перспективы развития (МРФ-2008), Харьков, 22-24 октября 2008.

Публикации. Основные научные и практические результаты диссертационной работы опубликованы в 11-ти печатных работах (из них 1 в центральной печати, входящей в перечень ВАК). Получен 1 патент на полезное изобретение.

Объем и структура диссертации. Работа изложена на 125 страницах, иллюстрирована 80-ю рисунками и содержит 13 таблиц. Диссертация состоит из Введения и пяти глав, включая литературный обзор. Список цитированной литературы содержит 81 наименование.

Содержание работы.

Во введении обосновывается актуальность темы диссертационной работы, формулируется цель, научная новизна и практическая значимость полученных результатов, дается краткое содержание результатов работы.

В первой главе представлены результаты исследований по формированию нулей ДН линейных одномерных раскрывов. Формулируется основанный на методе АОП алгоритм определения фазовых искажений, необходимых для формирования нулей ДН в заданном направлении прихода помехи, описываются критерии качества его формирования - стабилизация главного лепестка ДН, минимум снижения коэффициента усиления, при максимально достижимой глубине провалов. Приводятся результаты формирования различных видов провалов ДН - одиночный, секторный, а также в нескольких различных направлениях. Обосновываются процедуры пространственной и количественной дискретизации фазовых искажений применительно к ФАР из-за конечного числа фазовых состояний. При переходе к ФАР с дискретным расположением элементов используются результаты синтеза ФР на непрерывном раскрыве. Это допустимо при межэлементном расстоянии порядка /2, т.к. доказано, что в этом случае степень отличия ДН дискретного и непрерывного раскрыва минимальна.

Отличительными особенностями метода синтеза нулей ДН с использованием АОП являются:

- использование только фазового управления распределением поля в антенном раскрыве,