6.2.2. Формування вихідного сигналу адаптивних антен

Підвищені вимоги до складності та вичислювальної потужності приймача, що використовує антени із зміною форми ДС зумовлені необхідністю розраховувати вагові коефіцієнти сигналів в реальному часі. В залежності від способу «реагування» антени на зміну параметрів прийнятих сигналів, як корисного сигналу так і сигналів завад, антени із зміною форми ДС можна розділити на три типи (рис.6.5):

В найбільш простому випадку фіксована кількість набору вагових коефіцієнтів розраховується попередньо та зберігається в пам'яті. Далі необхідна ДН антени синтезується шляхом належного вибору коефіцієнтів. Таким чином, отримуємо антену з комутованим пелюстком.

Рис.6.5. Типи АР інтелектуальних антен

Якщо необхідно визначати напрямок приходу корисного сигналу та відсліжувати переміщення джерела корисного сигналу, то використовуються динамічно- фазовані антени.

В найбільш складному випадку, адаптивних антен, не лише відслідковується переміщення джерела корисного сигналу, але також визначаються напрямки надходження сигналів завад. В цьому випадку антена намагається забезпечити формування головного пелюстка в напрямку джерела корисного сигналу, та нулів ДН – в напрямку завад (рис.6.3). В результаті на виході адаптивної антени виділяється корисний сигнал та значно послаблюються завади при зміні параметрів вхідних сигналів.

Обробка сигналів, в основному, зводиться до визначення та формування вагових коефіцієнтів в інтелектуальному блоці. Кожен з вагових коефіцієнтів діє на вихідний сигнал окремого елементу АР формуючи його відповідним чином. Сума сформованих вихідних сигналів окремих елементів АР утворює оброблений результуючий сигнал (рис.6.6)

Вибір відповідних набору вагових коефіцієнтів дозволяє змінювати співвіднонення між корисним сигналом та сигналами завад на виході інтелектуального блоку за різними критеріями ( рис.6.7)

Рис.6.6. Обробка вихідних сигналів окремих елементів АР в інтелектуальному блоці

Рис.6.7. Критерії обробки сигналів в інтелектуальному блоці

Серед багатьох питань, які небхідно вирішити при створенні адаптивних антен основними являються наступні: визначення вектора вихідних напруг АР; реалізація алгоритму обробки сигналів в інтелектуальному блоці; аналіз вихідного сигналу адаптивних антен та розробка рекомендацій для практичного застосування (наприклад, вимоги до АР, зокрема до кількості елементів, N та нормованої віддалі між сусідніми елементами, d_n).

На інтелектуальну антену в загальному випадку діє корисний сигнал S₁ та ряд сигналів завад S₂… S₃… S_R (рис.6.8).

Рис.6.8. Формування сигналів на виході елементів АР

Найбільш часто в складі інтелектуальних антен використовується дискретна прямолінійна еквідистантна АР, яка складається з N елементів. Вздовж її осі рівномірно, переважно на віддалі d=λ/2, розміщені ідентичні елементи, в якості яких можуть використоватись різні антени в залежності від діапазону частот і т. д. Варто зауважити, що на відміну від традиційної приймальної АР, в якої виходи всіх елементів з’єднані між собою та наявний один спільний вихід, в АР приймальних адаптивних антен окремо в інтелектуальному блоці.

Сигнали в кожному елементі АР формуються внаслідок дії вхідних сигналів: як корисного сигналу S₁, так і сигналів завад S₂…S_k ...S_R. Далі сигнали кожного з окремих виходів елементів АР подаються на інтелектуальний блок, який містить апаратне та програмне забезпечення цифрової обробки сигналів. Саме інтелектуальний блок перетворює набір простих антен, якими являються елементи АР, в адаптивну антену. В ньому, на основі вагових коефіцієнтів, здійснюється обробка корисного сигналу та сигналів завад, отриманих на виході окремих елементів АР. Тому на вході приймача можна сформувати оброблений результуючий сигнал в якому виділено корисний сигнал та усунені завади. Для приймача ефект такої обробки еквівалентний тому, що на вході використовується АР, в якої ДС формується згідно рис.6.3.

Напруга, наведена всіма сигналами, на виході кожного елементу АР (рис.6.7) становить:

(6.7)

Вектор вихідних напруг, наведений всіма вхідними сигналами, на всіх елементах АР можна представити у вигляді матриці вектора напруг:

(6.8)

Видно, що кожний рядок матриці відображає напруги, наведені в однойменному елементі АР, а кожен стовбець – напруги, наведені одним із вхідних сигналів у всіх елементах АР. Між елементами матриці (6.8) існує певний взаємозв’язок. У випадку значної віддалі між джерелами сигналів та АР кожен з вхідних сигналів наводить в кожному елементі АР одинакову за модулем (але не за фазою) напругу, яка властива саме даному вхідному сигналу. Тоді матрицю (6.8) можна представити наступним чином:

(6.9)

де s_{u1 ,} s_u2, s_uk s_uR - модулі напруг, наведені 1, 2, …k, …та R сигналами в кожному елементі АР ; a_m,k –сигнальний вектор, наведений в m-му елементі АР, k-им вхідним сигналом.

Визначимо сигнальні вектори для АР (рис.6.9), яка складається з М ізотропних антенних елементів, розподілених в просторі лінійно та рівномірно.

Рис.6.9. Причини наявності фазових зсувів на виході сусідніх елементів АР

Якщо джерело корисного сигналу або завади розміщено на далекій віддалі від антени, то напрями його приходу на кожен елемент АР будуть паралельні між собою. При цьому фронт сигналу, тобто лінія рівних фаз, буде нормальна до напрямку поширення. Віддаль проходження радіохвилі від джерела до кожного елементу АР буде різною. Якщо перший елемент АР вважати опорним, та від нього здійснювати відлік, то різниця віддалей для m-го елементу АР відносно 1-го елементу АР становить:

( 6.10)

де d- віддаль між сусідніми випромінювачами АР; v- кут між нормаллю до осі АР та напрямом надходження сигналу.

В свою чергу різниця віддалей приводить до зсуву фаз між сигналами від одного джерела, але прийнятих m-им елементом АР відносно 1-го елементу:

(6.11)

З залежності (6.11) визначимо зсув фаз між сигналами в двох сусідніх випромінювачах, (наприклад, між першим та другим випромінювачами, при m=2) наведеними і-им вхідним сигналом:

(6.12)

де – нормована віддаль між сусідніми випромінювачами; v_і – кут надходження і-го сигналу.

Отже, сигнали на виході всіх елементів АР можна представити у виді вектора напруг (6.13). Сигнали, які відображає матриця (6.13), являються сукупністю сигналів на виходах окремих елементів АР. Вона являється основою для подальшого аналізу адаптивних антен. Тому обробка сигналів в інтелектальних антенах означає дію на матрицю (6.13) за допомогою вагових коефіцієнтів з метою перетворення прийнятих сигналів в необхідні для ефективнішого функціонування приймача.

(6.13)

де:

р_20, …р_k0, …р_R0 – зсув фаз на 1-му елементі АР між сигналами, наведеними сигналами завад S₂,..S_k,…S_R та сигналом, наведеним корисним сигналом S₁.