В.И. Джиган1

1 Институт проблем проектирования в микроэлектронике РАН (Москва, г. Зеленоград, Россия)

Постановка проблемы. В настоящее время в радиосистемах различного назначения в качестве направленных антенн активно используются антенные решетки (АР), основными преимуществами которых по сравнению с направленными антеннами с механическим управлением являются возможность ориентации основного лепестка (луча) диаграммы направленности (ДН) без перемещения самой АР и возможность управления формой этой ДН. Существенным недостатком АР является переменная ширина луча у линейных и плоских АР, увеличивающаяся по мере того, как направление луча перемещается от нормали к апертуре к плоскости этой апертуры. Этот недостаток обусловлен тем, что при отклонении луча эффективная площадь апертуры АР уменьшается, что приводит к расширению луча. При перемещении луча в широком диапазоне углов при сохранении его ширины это ограничивает применение линейных и плоских АР в качестве направленных антенн. Указанный недостаток отсутствует у кольцевых АР (КАР), что позволяет их использовать, например, в системах радиосвязи, поскольку они обеспечивают перемещение луча в пределах 360° в азимутальной плоскости при сохранении его ширины практически неизменной. Если АР строится по архитектуре с цифровым формированием луча (цифровая решетка), то такую решетку можно легко сделать многолучевой, что обеспечит параллельный обзор пространства. В многолучевых цифровых АР (ЦАР) одна и та же аналоговая часть каждого канала от антенны до цифрового выхода используется при формировании всех лучей. И только в цифровом виде строятся отдельные (по числу лучей) устройства, в которых выполняются умножение отсчетов сигналов каналов на весовые коэффициенты и сложение вместе взвешенных сигналов для формирования выходных сигналов АР. Наличие доступа к сигналам с выходов каналов также позволяет ЦАР стать адаптивной АР (ААР), так как во всех адаптивных алгоритмах эти сигналы используются при вычислении весовых коэффициентов. Адаптивная обработка сигналов дает возможность бороться с помехами. Подавление помех в выходном сигнале АР достигается за счет образования провалов (низких уровней) в ДН в направлениях на их источники, что обеспечивается за счет соответствующих весовых коэффициентов, определяемых с помощью адаптивного алгоритма. Таким образом, исследование кольцевых ААР с цифровым формированием луча, особенности их построения и функционирования является актуальной задачей.

Цель. Рассмотреть особенности многолучевых кольцевых ААР, в которых для вычисления весовых коэффициентов используется рекурсивный алгоритм по критерию наименьших квадратов (Recursive Least Squares, RLS)с линейными ограничениями (Linearly Constrained, LC), а также провести сравнительный анализ эффективности кольцевой и линейной ААР.

Результаты. Представлена архитектура одно- и многолучевой ААР и приведен алгоритм вычисления ее весовых коэффициентов. Показано, что при использовании LC RLS-алгоритма линейная и кольцевая ААР подавляют помехи с одинаковой эффективностью, однако кольцевая ААР обеспечивает практически постоянную ширину луча независимо от его направления и одновременного подавления помех.  

Практическая значимость. Рассмотренная ААР может быть использована в качестве направленной антенны в радиосистемах, где требуется формировать несколько лучей одновременно и сохранять их ширину независимо от направления, а также подавлять сигналы помех в выходном сигнале.

Джиган В.И. Особенности адаптивной обработки сигналов в кольцевых антенных решетках // Радиотехника. 2023. Т. 87. № 7. С. 115-126. DOI: https://doi.org/10.18127/j00338486-202307-12

1. Balanis C.A. Antenna theory: analysis and design (4th ed.). Wiley, 2016. 1104 p.
2. Maillou R.J. Phased array antenna handbook. 3rd ed. Artech House, Inc. 2017. 506 p.
3. Brown A. D., Boeringer D., Cooke T. Electronically scanned arrays. MATLAB® modelling and simulation. CRC Press. 2012. 214 p.
4. Williams J.S. Electronic scanned array design (radar, sonar and navigation). Scitech Publishing. 2021. 357 p.
5. Sharma S.K., Chieh J.-C.S. Multifunctional antennas and arrays for wireless communication systems. Wiley-IEEE Press. 2021. 458 p.
6. Guo J.G., Ziolkowski R.W. Antenna and array technologies for future wireless ecosystems. Wiley-IEEE Press. 2022. 461 p.
7. Darabi H. Radiofrequency integrated circuits and systems, 2-nd ed. Cambridge University Press. 2020. 778 p.
8. Woods R., McAllister J., Lightbody G., Ying Yi. FPGA-based implementation of signal processing systems, 2nd ed. Willey. 2017. 360 p.
9. Архипкин В. Я., Дябин М. И., Ерохин В. В., Леохин Ю. Л. Построение высокопроизводительной СнК на основе 16-разряд-ного процессорного ядра // Проблемы разработки перспективных микро- и наноэлектронных систем (МЭС). 2020. Вып. 4. С. 134–139.
10. King R.W.P, Fikioris G.J., Mack R.B. Cylindrical antennas and arrays. Cambridge University Press, 2002. 650 p.
11. Белозерцев Ю.В., Климов А.И. Кольцевые антенные решетки с дискретно-коммутационным сканированием диаграммы направленности в азимутальной плоскости // Вестник Воронежского института МВД России. 2022. № 3. С. 124–134.
12. Hudson J.E. Adaptive array principles. The Institution of Engineering and Technology. 2007. 253 p.
13. Monzingo R.A., Haupt R.L., Miller T.W. Introduction to adaptive arrays, 2nd ed. SciTech Publishing, 2011. 510 p.
14. Габриэльян Д. Д., Новиков А. Н., Алешин С. Л. Метод формирования «нулей» диаграммы направленности адаптивной антенной решетки для подвижных источников излучения // Радиотехника. № 1. 2019. С. 59–64.
15. Джиган В.И. Антенная решетка и эквалайзер с обратной связью как единое адаптивное устройство // Известия высших учебных заведений //. Радиоэлектроника. 2021. № 9. C. 550–562.
16. Джиган В.И. Антенная решетка с частичной адаптацией на основе рекурсивных алгоритмов по критерию наименьших квадратов в арифметике действительных чисел // Радиотехника. 2023. № 1. С. 144–157 DOI: https://doi.org/10.18127/ j00338486-202301-11.
17. Джиган В.И. Адаптивная фильтрация сигналов: теория и алгоритмы. M: Техносфера, 2013. 528 с.
18. Diniz P.S.R. Adaptive filtering algorithms and practical implementation. 5th ed. Springer, 2020. 495 p.
19. Steyskal H. Digital beamforming antennas // Microwave Journal. 1987. № 1. P. 107–124.
20. Григорьев Л.Н. Цифровое формирование диаграммы направленности в фазированных антенных решетках. М.: Радиотехника, 2010. 144 с.
21. Шишлов А.В., Левитан Б.А., Топчиев С.А., Анпилогов В.Р., Денисенко В.В. Многолучевые антенны для систем радиолокации и связи // Журнал радиоэлектроники (электронный журнал). 2018. № 7. 40 с.