СПОСОБ ФОРМИРОВАНИЯ МНОГОЛЕПЕСТКОВЫХ ДИАГРАММ НАПРАВЛЕННОСТИ АНТЕННОЙ РЕШЁТКИ

СПОСОБ ФОРМИРОВАНИЯ МНОГОЛЕПЕСТКОВЫХ ДИАГРАММ НАПРАВЛЕННОСТИ АНТЕННОЙ РЕШЁТКИ


RU (11) 2249890 (13) C1

(51) 7 H01Q3/26 

(12) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К ПАТЕНТУ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ 
Статус: по данным на 25.01.2008 - прекратил действие, но может быть восстановлен 

--------------------------------------------------------------------------------

Документ: В формате PDF 
(21) Заявка: 2003123689/09 
(22) Дата подачи заявки: 2003.07.28 
(24) Дата начала отсчета срока действия патента: 2003.07.28 
(45) Опубликовано: 2005.04.10 
(56) Список документов, цитированных в отчете о поиске: КРУПИЦКИЙ Э.И., О максимальной направленности антенн, состоящих из дискретных излучателей, Доклады АН СССР, 1962, т.143, №3, с.257-259. RU 2169970 C1, 27.06.2001. RU 2120161 C1, 10.10.1998. 

RU 2106728 C1, 10.03.1998. US 4225870 A, 30.09.1980. DE 2631026 A, 10.02.1977. EP 0097073 A3, 28.12.1983. 
(72) Автор(ы): Мануилов Б.Д. (RU); Башлы П.Н. (RU); Безуглов Ю.Д. (RU); Кузнецов А.А. (RU) 
(73) Патентообладатель(и): Мануилов Борис Дмитриевич (RU); Башлы Петр Николаевич (RU); Безуглов Юрий Дмитриевич (RU); Кузнецов Алексей Александрович (RU) 
Адрес для переписки: 344027, г.Ростов-на-Дону, Ростовский ВИ РВ, Научно-исследовательский отдел 

(54) СПОСОБ ФОРМИРОВАНИЯ МНОГОЛЕПЕСТКОВЫХ ДИАГРАММ НАПРАВЛЕННОСТИ АНТЕННОЙ РЕШЁТКИ
Изобретение относится к антенной технике и может быть использовано для формирования многолепестковых диаграмм направленности (ДН) в антенных решетках (АР) с амплитудно-фазовым (комплексным) управлением. Техническим результатом изобретения является возможность формирования многолепестковых ДН с заданными положениями и уровнями основных лепестков. Способ формирования многолепестковых ДН АР основан на взвешивании сигналов, принятых каждым излучателем, и последующем их суммировании, при котором комплексные весовые коэффициенты находят как главный вектор пучка эрмитовых форм, соответствующий наибольшему характеристическому числу пучка, причем в качестве второй эрмитовой формы пучка выбирают среднее значение диаграммы направленности по мощности, при этом при определении главного вектора пучка эрмитовых форм используют информацию о направлениях ориентации лепестков ДН и их относительном уровне, а в качестве первой эрмитовой формы пучка выбирают квадрат модуля взвешенной суммы значений ДН в направлениях формируемых лепестков. 3 ил. 






ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ


Изобретение относится к антенной технике и может быть использовано для формирования многолепестковых диаграмм направленности (ДН) в антенных решетках (АР) с амплитудно-фазовым (комплексным) управлением. 

Известен способ формирования ДН антенной решетки с максимальным коэффициентом направленного действия (КНД) [1], основанный на взвешивании сигналов, принятых каждым излучателем, и последующем их суммировании, при котором комплексные весовые коэффициенты (КВК) находят как главный вектор пучка эрмитовых форм, соответствующий наибольшему характеристическому числу пучка, причем при определении главного вектора пучка используют информацию о направлении ориентации максимума диаграммы направленности, а в качестве первой и второй эрмитовых форм пучка используют соответственно квадрат модуля ДН в направлении максимума луча и среднее значение ДН по мощности. 

Существо известного способа заключается в представлении КНД (здесь рассматривается двухмерный вариант)



в виде отношения эрмитовых форм



В(1) и (2) приняты следующие обозначения:

0 - направление ориентации максимума ДН;

|J - вектор-столбец КВК с элементами Jn, где n - номер излучателя (n=1,2,...N);

[А1] и [B1] - эрмитовы матрицы порядка N с элементами





f() - ненормированная амплитудная ДН системы, возбужденной током |J, которая может быть представлена в виде



Через (f) обозначена N-мерная вектор-строка ненормированных парциальных диаграмм fn() решетки, n-й излучатель которой возбужден током единичной амплитуды. 

Поскольку матрицы [А1] и [B1] эрмитовы, то D1(J) является отношением эрмитовых форм. Входящие в (2) эрмитовы формы определяют пучок форм



который является регулярным, так как форма |J[B1]·|J положительно определена, что обусловлено ее физическим смыслом. 

Максимум (2) равен наибольшему характеристическому числу пучка форм (6), причем этот максимум достигается только на соответствующем этому числу главном векторе пучка [2].

В соответствии с [2] максимальным собственным значением пучка эрмитовых форм (6) является максимальное собственное значение матрицы [D1], определяемой как



а собственный вектор, соответствующий максимальному собственному значению матрицы [D1] и будет решением задачи оптимизации (1). При определении главного вектора пучка используют информацию о направлении ориентации луча диаграммы направленности, а в качестве первой и второй эрмитовых форм пучка используют квадрат модуля ДН в направлении максимума луча и среднее значение ДН по мощности. 

Известный способ обеспечивает максимизацию КНД решетки с произвольным расположением элементов (линейных, дуговых, кольцевых, плоских и т.д.).

Недостатком известного способа максимизации КНД является то, что он обеспечивает возможность формирования лишь однолучевых ДН. В ряде случаев на практике антенна должна обеспечивать обслуживание не одного направления, а двух-трех либо даже большего числа направлений, положение которых может изменяться. Требуемый КНД антенны в этих направлениях в общем случае может быть различным.

Предлагаемый способ направлен на устранение упомянутого недостатка известного способа. Структурная схема кольцевой антенной решетки, функционирующей по предлагаемому способу, представлена на фиг.1. На фиг.2 и 3 представлены сформированные на базе предлагаемого метода диаграммы направленности с различным числом лепестков и разными весовыми коэффициентами.

Рассмотрим существо предлагаемого способа. Как и в прототипе, сигналы, принятые каждым излучателем, взвешивают с помощью КВК, после чего их суммируют, причем комплексные весовые коэффициенты находят как главный вектор пучка эрмитовых форм, соответствующий наибольшему характеристическому числу пучка, а в качестве второй эрмитовой формы пучка выбирают среднее значение диаграммы направленности по мощности. Однако в отличие от прототипа при определении главного вектора пучка эрмитовых форм используют информацию о направлениях ориентации основных лепестков (“лучей”) диаграммы направленности и их относительных уровнях. При этом в качестве первой эрмитовой формы пучка выбирают квадрат модуля взвешенной суммы значений диаграммы направленности в направлениях формируемых лепестков.

Проведенный сравнительный анализ заявленного способа и прототипа показывает, что заявляемый и известный способы отличаются режимом выполнения операции взвешивания, так как при определении главного вектора пучка эрмитовых форм используют информацию о направлениях ориентации лепестков диаграммы направленности и их относительных уровнях, а в качестве первой эрмитовой формы пучка выбирают квадрат модуля взвешенной суммы значений диаграммы направленности в направлениях формируемых лепестков.

Рассмотрим предлагаемый способ формирования многолепестковых диаграмм направленности на примере N-элементной кольцевой антенной решетки радиуса R (фиг.1), в каждом канале которой имеется устройство комплексного взвешивания Jn (n=1,2,...N). Выходы всех устройств комплексного взвешивания соединены с входами сумматора, на выходе которого формируется диаграмма направленности f(). 

Для формирования в диаграмме направленности в направлениях s (s=1,2,...S) “лучей” с относительной амплитудой ws будем искать N-мерный вектор-столбец комплексных амплитуд токов в излучателях, максимизирующий следующий энергетический функционал



где fS - взвешенная сумма значений ДН f() в S направлениях



С учетом (5) взвешенная сумма значений ДН в S направлениях может быть представлена в следующем виде:



Здесь (fs) - N-мерная вектор-строка с элементами



При этом квадрат модуля взвешенной суммы значений ДН в S направлениях может быть записан в следующем виде:



Здесь - знак комплексного сопряжения скалярной величины и эрмитова сопряжения матрицы; через [А] обозначена квадратная эрмитова матрица N-го порядка с элементами



Аналогично можно записать и для знаменателя (8)



где [В] - квадратная эрмитова матрица N-го порядка с элементами 



В итоге оптимизируемый функционал (8) может быть приведен к виду



Поскольку матрицы [А] и [B] эрмитовы, то K(J) является отношением эрмитовых форм. Входящие в (16) эрмитовы формы определяют пучок форм



который является регулярным, так как форма |J[В]·|J положительно определена, что обусловлено ее физическим смыслом. 

Максимум (16) равен наибольшему характеристическому числу пучка форм (17), причем этот максимум достигается только на соответствующем этому числу главном векторе пучка [2].

В соответствии с [2] максимальным собственным значением пучка эрмитовых форм (17) является максимальное собственное значение матрицы [D], определяемой как



а собственный вектор, соответствующий максимальному собственному значению матрицы [D], и будет решением задачи оптимизации (8). 

Максимальное собственное значение и соответствующий ему собственный вектор матрицы [D] могут быть определены одним из известных способов, например QR разложения [3]. Однако в данном случае можно поступить проще. Поскольку ранг матрицы [А] равен единице, то вектор токов, доставляющий максимум функционалу (16), может быть найден аналитически из выражения [4]



Работа устройства, функционирующего по предложенному способу, может быть проиллюстрирована с помощью фиг.1. Информация о направлениях s максимумов формируемых лепестков и соответствующих весах ws поступает на входы 1 и 2 вычислителя КВК 3, функционирующего в соответствии с выражением (19). Принятые каждым излучателем 4 сигналы взвешивают с помощью устройств комплексного взвешивания 5 в соответствии с КВК, определяемыми вычислителем 3, после чего они поступают на входы высокочастотного сумматора 6. В результате на выходе 7 высокочастотного сумматора 6 формируется диаграмма направленности f(), имеющая S лепестков (“лучей”) с относительными уровнями w s.

В качестве примера на фиг.2 приведена трехлепестковая ДН, сформированная кольцевой АР с изотропными излучателями при следующих исходных данных: число излучателей N=36, шаг решетки /2, углы ориентации лепестков ДН 1=110°, 2=150°, 3=240°, весовые коэффициенты w1=1, w2=1, w3=0.5.

При проведении расчетов диаграммы направленности элементов принимались в виде



где n - угловая координата n-го излучателя.

Комплексные амплитуды токов в элементах АР находились как с помощью выражения (18), т.е. через определение собственных чисел и собственных векторов матрицы D, так и с помощью выражения (19). Как и следовало ожидать, оба пути приводят к одному и тому же результату. Из фиг.2 видно, что положения “лучей” (лепестков) ДН и их уровни соответствуют заданным.

На фиг.3 продемонстрирована возможность последовательного формирования с помощью алгоритма (19) однолепестковой (f1()), двухлепестковой (f2(()) и трехлепестковой (f3()) ДН. В первом случае формируется лепесток с номером s=1 (т.е. с весом w1 и ориентацией 1), во втором - лепестки с номерами 1 и 3, а в третьем - все три лепестка, приведенные на фиг.1.

Таким образом, изменение режима выполнения операции взвешивания, проявившееся в том, что при определении главного вектора пучка эрмитовых форм используют информацию о направлениях ориентации лепестков диаграммы направленности и их относительном уровне, а в качестве первой эрмитовой формы пучка выбирают квадрат модуля взвешенной суммы значений диаграммы направленности в направлениях формируемых лепестков, обеспечивает формирование многолепестковых диаграмм направленности с заданными положениями и уровнями основных лепестков. 

Источники информации

1. Э.И.Крупицкий. О максимальной направленности антенн, состоящих из дискретных излучателей // Доклады АН СССР, 1962, т.143, №3, с.257-259.

2. Ф.Р.Гантмахер. Теория матриц. - 4-е изд. - М.: Наука, гл. ред. физ-мат. лит., 1988, 552 с.

3. Воеводин В.В., Кузнецов Ю.А. Матрицы и вычисления. М.: Наука, гл. ред. физ-мат. лит., 1984, 320 с.

4. Cheng David К. Optimization techniques for antenna arrays, "Proc. IEEE", 1971, 59, №12, 1664-1674.




ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ


Способ формирования многолепестковых диаграмм направленности антенной решетки, основанный на взвешивании сигналов, принятых каждым излучателем, и последующем их суммировании, при котором комплексные весовые коэффициенты находят как главный вектор пучка эрмитовых форм, соответствующий наибольшему характеристическому числу пучка, причем в качестве второй эрмитовой формы пучка выбирают среднее значение диаграммы направленности по мощности, отличающийся тем, что при определении главного вектора пучка эрмитовых форм используют информацию о направлениях ориентации основных лепестков диаграммы направленности и их относительном уровне, а в качестве первой эрмитовой формы пучка выбирают квадрат модуля взвешенной суммы значений диаграммы направленности в направлениях формируемых лепестков.





ПРОЧИТАТЬ НУЖНО ВСЕМ !
Судьба пионерских изобретений и научных разработок, которым нет и не будет аналогов на планете еще лет сорок, разве что у инопланетян



Независимый научно технический портал
Электроника и электротехника




СОВЕРШЕННО БЕСПЛАТНО!
Вам нужна ПОЛНАЯ ВЕРСИЯ данного патента? Сообщите об этом администрации портала. В сообщении обязательно укажите ссылку на данную страницу.


ПОИСК ИНФОРМАЦИИ В БАЗЕ ДАННЫХ


Режим поиска:"и" "или"

Инструкция. Ключевые слова в поле ввода разделяются пробелом или запятой. Регистр не имеет значения.

Режим поиска "И" означает, что будут найдены только те страници, где встречается каждое из ключевых слов. При использовании режима "или" результатом поиска будут все страници, где встречается хотя бы одно ключевое слово.

В любом режиме знак "+" перед ключевым словом означает, что данное ключевое слово должно присутствовать в найденных файлах. Если вы хотите исключить какое-либо слово из поиска, поставьте перед ним знак "-". Например: "+автомобильная -сигнализация".

Поиск выдает все данные, где встречается введенное Вами слово. Например, при запросе "датчик" будут найдены слова "датчик", "датчики" и другие. Восклицательный знак после ключевого слова означает, что будут найдены только слова точно соответствующие запросу ("датчик!").


Металлоискатели и металлодетекторы | Электронные устройства охраны и сигнализации | Электронные устройства систем связи | Приемные и передающие антенны | Электротехнические и радиотехнические контрольно-измерительные приборы и способы электроизмерений | Электронные устройства пуска, управления и защиты электродвигателей постоянного и переменного тока | Электродвигатели постоянного и переменного тока | Магниты и электромагниты | Кабельно-проводниковые и сверхпроводниковые изделия


Рейтинг@Mail.ru