Введение
1. Методы цифрового формирования ДН в АР
1.1. ДН АР произвольной формы
1.2. Узкополосное диаграммоформирование в ЦФАР
1.2.1. Управление ДН узкополосной ЦФАР
1.3. Широкополосное диаграммоформирование
1.3.1. ЦФАР с временной задержкой сигналов
1.3.2. ЦФАР с пространственной задержкой сигналов
1.3.3. Управление ДН широкополосной ЦФАР
1.4. Формирование «нулей» в ДН ЦФАР
1.4.1. Адаптивное управление ДН ЦФАР
1.4.2. Синтез ДН с нулями в заданных направлениях
1.5. Выводы
2. ЦФАР с частотно-независимой ДН
2.1. Частотно-независимое ЦДФ с использованием временных задержек
2.1.1. ЦДФ с применением минимизации целевой функции
2.1.2. ЦДФ без использования методов минимизации
2.2. Частотно-независимое ЦДФ с использованием пространственных задержек
2.2.1. Использование ЛПАР в кольцевых АР
2.2.2. Выбор размеров дуговой АР
2.2.3. Коррекция фазового распределения в дуговой АР из ЛПАР
2.2.4. Амплитудное сканирование
2.3. Структурные схемы ЦФАР
2.3.1. ЦФАР с формированием ДН во всей полосе
2.3.2. ЦФАР с разбиением на поддиапазоны
3
2.4. Выводы
3. Синтез «нулей» ДН ЦФАР в заданных направлениях
3.1. Формирование «нулей» с помощью компенсационной ДН
3.2. Составление системы уравнений синтеза «нулей» в ДН ЦФАР
3.2.1. Численное решение системы уравнений синтеза ДН
3.2.2. Фазовый центр АР при синтезе «нулей»
3.3. Синтез «нулей» в ДН частотно-независимой ЦФАР
3.4. Выводы
4. Экспериментальные исследования
4.1. Численные эксперименты по исследованию характеристик частотно- независимой ЦФАР
4.2. Численные эксперименты по синтезу «нулей» в ДН частотно-независимой ЦФАР
4.3. Оценка производительности методов синтеза «нулей»
4.4. Влияние характеристик приемного тракта на ДН ЦФАР
4.5. Экспериментальное исследование метода синтеза «нулей» с помощью компенсационной ДН
4.6. Выводы
Заключение
Список сокращений и условных обозначений
Список литературы
Приложение А
Приложение Б. собственность
Акты внедрения результатов работы
Документы, подтверждающие право на интеллектуальную

Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, определены цели и задачи исследования, отмечены теоретическая и практическая значимости работы (сведения о внедрении результатов), научная новизна; описаны методы исследования, сформулированы положения, выносимые на защиту; приведены сведения об апробации работы, структуре диссертации.
В первой главе приведен обзор методов управления ДН ЦФАР, показано, что методы узкополосного диаграммоформирования не применимы в условиях широкой полосы сигналов.
Показаны структурные схемы ЦФАР с применением линий задержки с ответвлениями (tapped delay line или TDL), рисунок 1 (а), а также с применением дополнительных элементов АР (sensor delay line или SDL), рисунок 1 (б).
Использование КИХ-фильтров позволяет достичь широкополосных свойств ДН ЦФАР. КИХ-фильтры выполняют временную фильтрацию, тем самым формируя частотно-зависимую характеристику для сигналов, принимаемых широкополосными антенными элементами, для компенсации задержек различных
8
частотных составляющих сигнала, при условии сохранения формы ДН в широкой полосе частот. Широкополосная ЦФАР, соответствующая такой структуре, показанной на рисунке 1 (а), использует отсчёты поля распространяющейся волны, как в пространстве (выходы различных антенных элементов АР), так и во времени (ответвления линий задержки).
(а) (б)
– умножитель, – сумматор
Рисунок 1 – Структурная схема широкополосной ЦФАР
(а) ЦФАР с временной задержкой, (б) ЦФАР с пространственной задержкой
Система, показанная на рисунке 1 (б), рассматривается как широкополосная диаграммоформирующая структура с пространственной задержкой сигналов, принимаемых антенными элементами или просто как пространственный фильтр. Этот подход может быть применён к линейной или плоской АР. Например, для исходной линейной АР с КИХ-фильтрами будем иметь прямоугольную АР без временной фильтрации, как показано на рисунке 1 (б), замещающую структуру на рисунке 1 (а). Для исходной плоской АР с КИХ-фильтрами будем иметь объемную АР без временной фильтрации.
В первой главе отмечается, что создание провалов в ДН АР возможно реализовать двумя способами: первый заключается в применении адаптивного ЦДФ, второй – это фиксированное ЦДФ. Рассмотрены основы адаптивного ЦДФ и методы синтеза нулей в ДН ЦФАР, которые можно отнести к фиксированному ЦДФ. Сделан вывод о том, что ДН адаптивной АР состоит из двух слагаемых – исходной (неискаженной ДН) и компенсационной ДН.
Во второй главе показано, что постановка задачи создания частотно- независимой ДН требует решения вычислительно сложных задач. Поэтому, существующие методы широкополосного ЦДФ требуют некоторого упрощения для увеличения скорости обработки информации. В данной главе предложены методы частотно-независимого ЦФД, основанные на использовании TDL и SDL, без решения задачи минимизации. Проведена разработка методов частотно-

независимого ЦДФ, имеющих небольшую вычислительную сложность, и математических моделей ЦФАР, которые позволяют реализовывать формирование частотно-независимой ДН.
Для осуществления частотно-независимого сканирования главного максимума ДН ЦФАР требуется создать фазовое распределение с необходимой частотной зависимостью. При частотно-независимом ЦФД линейный фазовый набег можно получить, используя в каждом канале АР КИХ-фильтры с различным наклоном фазо-частотных характеристик, причем на всех частотах диапазона разность фаз между каналами АР должна быть такой, чтобы максимум ДН был направлен на всех частотах в одном направлении. Для сохранения постоянной ширины ДН ЦФАР в заданной полосе частот необходимо сохранение электрической длины АР, т.е. с ростом частоты необходимо уменьшение физических размеров (активной зоны) ЦФАР. На основании этого, были получены выражения, позволяющие найти коэффициенты КИХ-фильтров, входящих в состав ЦФАР:
 n
sin m  sinm  
hn,m n2  n1, (1) mn
где n  M 1  n , M – длина фильтра (количество коэффициентов импульсной 2
характеристики), m=1…M – номер элемента, Δn – положительное число определяющее сдвиг импульсной характеристики, n=1…N, N – количество
антенных элементов в ЦФАР, ω1, n – граничные частоты КИХ-фильтров, 2
нормированные на частоту дискретизации,
f
2 2 n , (2)
n
fД
где fn  0,888c / d n 120,5 cos0 – верхняя граничная частота КИХ-фильтров
необходимая для получения ширины ДН 2θ0,5 при заданном количестве элементов n, c – скорость распространения электромагнитной волны в вакууме, d – расстояние между смежными элементами АР, 2θ0,5 – требуемая ширина ДН, θ0 – направление максимума ДН ЦФАР.
На рисунке 2 изображены коэффициенты КИХ-фильтров в каналах АР, полученные в соответствии с выражением (1) с учетом (2). Из рисунка 2 видно, что максимумы импульсных характеристик фильтров смещены друг относительно друга, что обеспечивает постоянный фазовый сдвиг по частоте. С увеличением частоты происходит «уменьшение» размеров (активной части ЦФАР) АР, что видно из рисунка 3. На рисунке 4 приведены фазо-частотные характеристики фильтров; из рисунка видно, что фазовое распределение в АР имеет линейную зависимость от частоты, что обеспечивает постоянное значение направления максимума ДН. На рисунке 5 приведена полученная ДН, эта ДН обладает

частотно-независимыми  / max 0,3; 1.
10 свойствами в
нормированной
полосе
частот
0 -10 -20 -30 -40 -50 -60
0,2
0,4
0,6 0,8 1,0
2 4
6 8
10 12 14
1,2 1,0 0,8 0,6 0,4 0,2 0,0
-0,2 -0,4
10
8 6 4 2
2 4 6 8 101214161820222426283032
Проведено исследование зависи- мости коэффициента перекрытия ча- стотного диапазона частотно- независимой ЦФАР (KП) от количества элементов решетки и коэффициентов КИХ-фильтров (рисунок 6).
Для обеспечения KП = 3,3 количество антенных элементов ЦФАР должно быть выбрано равным N = 16.
Рисунок 2 – Коэффициенты КИХ-фильтров
Рисунок 4 – Фазо-частотные характеристики КИХ-фильтров при угле сканирования θ0 = 40°
M = 10
= 20°
Рисунок 3 – Амплитудно-частотные характеристики КИХ-фильтров
0 -500 -1000 -1500 -2000 -2500
0,2
0,4
0,6 0,8 1,0
2 4
6 8
10 12 14
0 -10 -20 -30 -40 -50
0,2
0,4
0,6 0,8 1,0
20 40 60 80
16
-80 -60 -40 -20 0
Рисунок 5 – Частотно-независимая ДН
5,0 4,5 4,0 3,5 3,0 2,5 2,0 1,5
10 12 14
M=10 N M=16 M=20
16 M=108
20M=1622
M = 10
M = 16
M = 20
M = 32
M = 16 M = 10 M = 20
Рисунок 6 – Коэффициент перекрытия частот-
M = 20 M = 16 M = 32
ного диапазона при угле сканирования θ
M = 32 M = 20 M = 32
M = 32
С целью частотно-независимой ДН вместо КИХ-фильтров, возможно применение большого количества пространственно-разнесенных элементов в АР, которые будут обеспечивать создание необходимой частотной зависимости АФР. Показано, что в качестве такой АР с пространственной задержкой сигналов можно использовать кольцевые и дуговые АР из направленных элементов,
имеющих максимум ДН, направленный внутрь кольца (дуги).
формирования
n
m
n
,°
n
/ max
/ max
/ max
FB
,°h
|F( )|, дБ
|w( )|,дБ
Для создания сверхширокополосной АР с постоянной формой ДН по частоте необходимо использовать систему антенн, в которой при изменении частоты сохранялись бы электрические размеры. Такая сверхширокополосная АР с постоянной формой ДН по частоте представляет дуговую АР составленную из логопериодических антенных решеток (ЛПАР), показанную на рисунке 7.
На рисунке 8 показана ДН частотно-независимой ЦФАР, составленной из ЛПАР, при осуществлении амплитудного сканирования.
Рисунок 7 – Кольцевая АР из ЛПА Рисунок 8 – ДН АР ЛПАР при отклонении максимума ДН на угол θ0 = 45°
В работе приведены выражения для расчета геометрических размеров таких АР, показан способ коррекции фазового распределения в дуговой АР (при большом количестве излучателей фазовое распределение в «раскрыве» АР имеет квадратичный характер, вследствие чего форма ДН искажается), описан способ амплитудного сканирования в дуговой АР.
Рассмотрены возможные варианты реализации приемных ЦФАР. Выбор варианта структурной схемы существенно влияет на аппаратную реализацию аналоговой и цифровой частей приемной ЦФАР, их характеристики, возможные алгоритмы обработки сигналов, методы ЦДФ и стоимость. На рисунках 9 и 10 приведены возможные структурные схемы ЦФАР.

Рисунок 9 – Структурная схема широкополосной ЦФАР при одновременной обработке спектра полезного сигнала в рабочем диапазоне частот
Рисунок 10 – Структурная схема ЦФАР с разбиением на поддиапазоны
Структурные схемы отличаются способами формирования ДН в диапазоне рабочих частот.
Третья глава посвящена исследованию метода, позволяющего синтезировать необходимое количество (не более (N–1), где N – количество элементов АР) нулей в ДН АР. Показано, что решение, полученное с помощью данного метода, полностью совпадает с ДН адаптивной АР с линейными ограничениями на направление максимума ДН, а также возможно применение данного способа синтеза «нулей» в ДН к частотно-независимым АР.
Метод синтеза «нулей» в ДН ЦФАР основан на свойстве ДН адаптивной АР: такую ДН можно представить в виде взвешенной суммы «парциальных» ДН. При помощи данного метода можно получить ДН и АФР, им соответствующие, для произвольного количества (но не более N–1) синтезируемых нулей.
Использование данного метода проиллюстрировано на рисунках 11 и 12. На рисунке 11 приведен пример формирования «нуля» в первом боковом лепестке
ДН 8-ми элементной кольцевой АР, плоскости АР.
|F(θ)|
где θ0 = 0° соответствует нормали к
|F(θ)|
Рисунок 11 – Формирование «нуля» в ДН при p130,p10
Рисунок 12 – Формирование второго «нуля» в
ДНприp 30,p 0и 11
На рисунке 12 приведен пример формирования двух «нулей» в ДН 8-ми элементной кольцевой АР. Здесь в качестве исходной ДН используется ДН с нулем в направлении p1  30,p1  0, показанная на рисунке 11.
Как показано в третьей главе для формирования K нулей в общем случае необходимо формировать ДН следующего вида:
K
,
где F ,, ,  – ДН, имеющая максимумы в направлениях на источник сигнала
F,F,,,  iiii
i0
Коэффициент α0 можно принять равным единице. Оставшиеся коэффициенты αj (1 ≤ j ≤ K) определяются из условий:
F  j ,  j   0, 1  j  K ,
которые приведут к получению системы K линейных однородных уравнений:
(3)
Показано, что фаза полезного сигнала, принимаемого по главному лепестку ДН, не будет зависеть от наличия или отсутствия провалов в ДН при использовании рассмотренных методов синтеза.
iii
(i = 0) и на источники помех (1 ≤ i ≤ K), αi – неопределенные коэффициенты.
K F,,,F,,, ;
i 11ii 1100 i 1
K
iF2,2,i,i  F2,2,0,0 ;  i  1

K F,,,F,,,;
 i  1
mKKii KK00
Для формирования «нуля» частотно-независимой ДН в заданном направлении необходимо решить систему уравнений подобную (3). В левой части
данной системы в качестве функции F  j ,  j , i , i  необходимо подставить
частотно-независимую ДН на какой-либо частоте. Решив полученную систему уравнений найдем коэффициенты αi, с помощью которых можно найти выражение для ДН. Весовые коэффициенты, найденные таким способом, будут обеспечивать формирование провалов в широкой полосе частот, но наименьшее значение ДН будет находиться на частоте, выбранной при составлении системы уравнений, подобной (3).
Для обеспечения более глубоких «нулей» ДН в широкой полосе частот можно несколько усложнить порядок вычисления весовых коэффициентов КИХ- фильтров. Сначала, необходимо определить частотную зависимость АФР узкополосной АР, обеспечивающую формирование «нулей» на каждой частоте нормированного диапазона частот ω / ωmax ∈ [0,3; 1]. Затем, необходимо решить систему уравнений подобную системе (3), но в данном случае левая часть должна быть частотно зависимой. Далее, с помощью применения БПФ к выражению для частотных характеристик КИХ-фильтров можно найти набор весовых коэффициентов, который сформирует «нули» ДН в заданных направлениях.
В четвертой главе приведены результаты серии численных экспериментов по определению частотно-независимых свойств, исследуемых ЦФАР. Проведено сравнение предложенного метода частотно-независимого ЦДФ с существующим методом, основанным на использовании преобразования Фурье (данный метод обозначен FFT-FIB). Как показали численные эксперименты (рисунки 13 – 16), оба метода позволяют получить аналогичные частотно-независимые ДН.
предложенный метод FFT-FIB
-11 -12 -13 -14 -15 -16
0,3 0,4
0,5 0,6 0,7 0,8 / max
0,9 1,0
1,5 1,0 0,5 0,0
-0,5 -1,0
0,3 0,4
0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0 / max
Рисунок 13 – Уровень первого бокового Рисунок 14 – Отклонение ширины ДН от лепестка, θ0 = 0° заданного значения, θ0 = 0°
УБЛ, дБ
ШДН, °

16,0 15,5 15,0 14,5 14,0 13,5 13,0 12,5
0,3 0,4
0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0 / max
15 10 5 0 -5 -10
0,3 0,4
0,5 0,6 0,7 0,8 / max
0,9 1,0
Рисунок 15 – Коэффициент направленного Рисунок 16 – Положение фазового центра, действия, θ0 = 0° θ0 = 0°
Ширины ДН варьируются в одинаковых пределах. Уровень первого бокового лепестка частотно-независимой ДН, получаемой с помощью предложенного метода, оказывается меньше на величину до 2,7 дБ. При этом, предложенный метод не требует применения преобразования Фурье, его вычислительная сложность меньше. Следует отметить, что характер зависимостей приведенных на рисунках 13 – 16 слабо зависит от θ0.
Способ синтеза нулей в ДН частотно-независимой ЦФАР сравнен с адаптивным методом в пространстве лучей, который основан на использовании метода FFT-FIB для создания ортогональных ДН, участвующих в формировании провалов в ДН (данный метод обозначен BS-FIB). Проведены численные эксперименты по синтезу «нулей» в ДН частотно-независимых ЦФАР (рисунки 17 – 20). В третьей главе были предложены две реализации такого метода, которые сравнены с существующим методом BS-FIB.
Как показывают результаты проведенных численных экспериментов, предложенный метод БПФ-АФР позволяет синтезировать наиболее глубокие «нули» в ДН ЦФАР. Прямой метод и метод BS-FIB показывают примерно одинаковые характеристики, при этом предложенный прямой метод не требует выполнения преобразования Фурье, в отличии от БПФ-АФР и BS-FIB. При изменении угла отклонения максимума ДН до величины θ0 = 20° характер зависимостей, приведенных на рисунках 17 – 20, не меняется.
Рисунок 17 – Уровень «нулей», Рисунок 18 – Уровень «нулей», синтезированных прямым методом, θ0 = 0° синтезированных методом БПФ-АФР, θ0 = 0°
1 = 60° 2 = -30°
-10 -20 -30 -40 -50 -60 -70
0,3 0,4
0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0 / max
-10 -20 -30 -40 -50 -60 -70
0,3 0,4
0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0 / max
|F( i)|, дБ
КНД, дБ
|F( i)|, дБ xФЦ, мм

Дана оценка требуемого количества операций сложения и умножения для выполнения «прямого» метода синтеза «нулей» и метода BS-FIB. Количество операций сложения и умножения для метода BS-FIB:
23 Q 4LNlogNL,
BS 2
где N – количество элементов в ЦФАР; L – количество ортогональных ДН, используемых для создания «нулей» методом BS-FIB; при этом L > K, K – количество синтезируемых «нулей».
Количество операций сложения и умножения для прямого метода:
Q 2N2K1K13. пр
В ЦФАР широко распространено использование приемо-передающих модулей. В состав модулей могут входить различные аналоговые устройства. Создание двух устройств с абсолютно идентичными характеристиками невозможно. Не идентичность аналоговых трактов ЦФАР может проявляться в виде различной полосы пропускания и различий в АЧХ и ФЧХ аналоговых устройств, которые будут выражаться в виде случайных флуктуаций АФР в апертуре ЦФАР. С помощью статистической теории антенн получено выражение для средней по мощности ДН ЦФАР, дана оценка снижения КДН ЦФАР.
Проведен расчет уровня «нулей» в ДН ЦФАР при воздействии случайных флуктуаций АФР и ошибок позиционирования элементов. Параметры при моделировании:
 диапазон рабочих частот 4–6 ГГц;
 СКО по фазе 4,2°;
 СКО по амплитуде 10%.
 СКО ошибок позиционирования элементов 1,5 мм.
На рисунках 21 и 22 показаны полученные уровни «нулей» ДН с учетом
влияния ошибок АФР и позиционирования антенных элементов в ЦФАР и без учета влияния ошибок.
-10 -20 -30 -40 -50 -60 -70
0,3 0,4
0,5 0,6 0,7 0,8 / max
0,9 1,0
Рисунок 19 – Уровень «нулей», Рисунок 20 – Положение фазового центра
синтезированныхметодомBS-FIB,θ =0° присинтезе«нулей»,θ =0° 00
прямой метод ДПФ-АФР
прямой метод
ДПФ-АФР
BS-FIB
ДПФ-АФР BS-FIB BS-FIB
прямой метод
|F( i)|, дБ

(а)
(б)
Рисунок 21 – Уровень «нулей», синтезированных прямым методом (а) отсутствие ошибок, (б) присутствие ошибок
-10 -20 -30 -40 -50 -60
4,00 4,25 4,50 4,75 5,00 5,25 5,50 5,75 6,00 / max
-10 -20 -30 -40 -50 -60
4,00 4,25 4,50 4,75 5,00 5,25 5,50 5,75 6,00 / max
-10 -20 -30 -40 -50 -60
4,00 4,25 4,50 4,75 5,00 5,25 5,50 5,75 6,00 / max
-10 -20 -30 -40 -50 -60
4,00 4,25 4,50 4,75 5,00 5,25 5,50 5,75 6,00 / max
(а) (б)
Рисунок 22 – Уровень «нулей», синтезированных методом БПФ-АФР (а) отсутствие ошибок, (б) присутствие ошибок
Описан эксперимент по исследованию алгоритма подавления помех с помощью компенсационной ДН в узкополосном случае. Как видно из рисунка 23, в эксперименте не удалось получить «нулевое» значение ДН в заданном направлении. Это связано с тем, что в расчетах не учитываются взаимное влияние элементов АР, не идентичности амплитудных и фазовых характеристик аналоговых трактов, отражения сигнала от опорных элементов АР и пр.
Исходная ДН Результирующая ДН
Рисунок 23 – Измеренная ДН АР
|F( i)|, дБ |F( i)|, дБ
|F( i)|, дБ |F( i)|, дБ
Экспериментальное исследование метода синтеза «нулей» в ДН узкополосной ЦФАР показало, что АФР, полученное с помощью решения системы уравнений (3), требует экспериментального уточнения, для получения глубоких «нулей». Следует отметить, что данный метод может быть использован при стационарных условиях расположения помех и АР.
В заключении изложены основные результаты работы, рекомендации и перспективы продолжения исследований темы.
В приложениях приведены акты о внедрении результатов работы, копии свидетельств о регистрации программ ЭВМ.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ АВТОРЕФЕРАТА
1. Разработаны математические модели, позволяющие проводить исследование ЦДФ, как узкополосного, так и широкополосного, для различных конфигураций АР.
2.Частотно-независимое ЦДФ может быть осуществлено с помощью временных (АР с использованием КИХ-фильтров) и пространственных (ЦФАР ЛПАР) задержек сигналов, при этом возможно осуществление сканирования в широкой полосе частот без искажения формы ДН.
3. Метод синтеза «нулей» ДН ЦФАР основан на выводе о том, что ДН адаптивной ЦФАР представима в виде суммы слагаемых – исходной и компенсационной ДН. Данный метод распространен на случай частотно- независимых ЦФАР.
4. С помощью разработанных моделей исследованы алгоритмы широкополосного формирования ДН, позволяющие осуществлять сканирование ДН в широкой полосе частот.
5. Проведены численные эксперименты по исследованию характеристик ЦФАР с использованием предложенных алгоритмов. Выполнено сравнение характеристик с ЦФАР, в которых используются известные алгоритмы. Исследование показало, что разработанные алгоритмы имеют меньшую вычислительную сложность, а параметры ДН ЦФАР не ухудшаются.
Результаты исследований и предложенные методы, полученные в результате выполнения настоящей диссертационной работы, нашли применение в составе НИР и ОКР, выполненных в «АО «ИСС» им. Академика М.Ф. Решетнёва», ФГАОУ ВО «Сибирский федеральный университет», СПбГЭТУ «ЛЭТИ» им. В.И. Ульянова (Ленина).
На основе моделирования характеристик частотно-независимых ЦФАР с помощью статистической теории антенн можно заключить, что при практической реализации необходимо проведение калибровки ЧХ трактов для отдельной реализации элементов тракта. При этом необходима разработка эффективных методов калибровки в широкой полосе частот, которая, например, может быть реализована в цифровом виде с помощью применения теории адаптивной фильтрации. Вопросы калибровки характеристик имеют большое значение,

поскольку в состав ЦФАР входит множество устройств, от правильной работы которых зависят выходные параметры сигналов.
Частотно-независимое ЦДФ подразумевает обработку значительных потоков цифровых данных в реальном времени. Так, например, при тактовой частоте АЦП 500 МГц и его разрядности 8 бит поток данных на один канал ЦФАР составит 4,0 Гбит/с. Соответственно, при увеличении разрядности или тактовой частоты АЦП поток данных будет пропорционально возрастать. Подобные потоки в настоящее время наиболее эффективно обрабатывать с помощью программируемых вентильных матриц или программируемых логических интегральных схем. Затем, если необходимо, по исходным кодам описания аппаратуры могут быть изготовлены сверхбольшие интегральные схемы. Основным преимуществом такого подхода является возможность распараллеливания вычислений, что позволяет обрабатывать в режиме реального времени сигналы с большой мгновенной полосой частот. В свою очередь, это требует разработки специального математического аппарата, способного правильно выполнять обработку множества отсчетов сигнала за один такт дискретизации.
Другим вариантом реализации ЦДФ является обработка цифровых данных «офлайн». При таком подходе, первоначально, с помощью высокоскоростных записывающих цифровых устройств осуществляется запись сигналов с каждого элемента ЦФАР в постоянное запоминающее устройство. Затем, осуществляется программная цифровая обработка записанных выборок сигнала с помощью персонального компьютера. Данный вариант реализации ЦДФ может иметь ограниченное применение на практике.

Актуальность работы.
В настоящее время в качестве антенных систем всё чаще применяют фазированные антенные решетки (АР), как аналоговые, так и цифровые, вследствие их больших функциональных возможностей относительно «традиционных» антенных систем, в частности апертурных.
Методы цифровой обработки сигналов также получают все более широкое распространение в различных областях применения радиоэлектронных систем. На текущем этапе развития цифровой техники современные сигнальные процессоры позволяют решать различные задачи цифровой обработки с достаточно высокой производительностью необходимой для формирования (преобразования) и обработки сигналов в реальном масштабе времени.
Использование цифровой обработки сигналов в АР позволяет реализовать цифровое формирование диаграмм направленности (ДН) различных форм, осуществлять их пространственное сканирование. Вследствие чего стало возможным создание цифровых фазированных АР (ЦФАР), то есть АР с цифровой обработкой сигналов. ЦФАР получают в настоящее время все более широкое применение в телекоммуникационных, навигационных и радиолокационных системах, а также в системах радиомониторинга, как в режиме передачи, так и в режиме приема.
В связи с постоянным увеличением объема информации и необходимой скорости ее передачи, с течением времени постоянно увеличивается ширина полосы частот используемых сигналов, которые необходимо обрабатывать в составных частях радиоэлектронных систем, в частности и в антенных системах.
Одной из областей исследований при обработке сигналов в ЦФАР является выделение полезных сигналов, которые могут приходить с известных или неизвестных направлений, на фоне шумов и преднамеренных или непреднамеренных помех. Это приводит к необходимости создания цифрового диаграммоформирования (ЦДФ), которое позволяет эффективнее решать данную задачу. В зависимости от ширины полосы диапазона рабочих частот ЦДФ может
быть разделено на задачи узкополосного и широкополосного ЦДФ, методы решения которых существенно различаются.
В задачах широкополосного ЦДФ можно выделить класс ЦФАР с частотно- независимыми ДН в некоторой широкой полосе частот. Частотно-независимой считают ДН, форма которой не изменяется в широкой полосе частот (с коэффициентом перекрытия более двух). Форма главного лепестка ДН, а также уровень боковых лепестков (УБЛ) такой ЦФАР постоянны в заданной широкой полосе частот.
Чтобы добиться постоянства формы ДН АР в широкой полосе частот необходимо постоянство электрических размеров АР. Как известно, с увеличением частоты происходит сужение главного лепестка ДН (при фиксированной апертуре). Для компенсации сужения главного лепестка с ростом частоты необходимо уменьшить физический размер апертуры АР, так чтобы форма главного лепестка ДН осталась постоянной. Таким образом, в апертуре АР необходимо формирование частотно-зависимого амплитудно-фазового распределения. В цифровом виде такое распределение можно сформировать с помощью линий с временной или пространственной задержками. Существующие способы расчета коэффициентов линий с задержкой основаны на применении метода наименьших квадратов, выпуклого программирования, преобразования Фурье и других численных методов.
В качестве линий с временной задержкой используются фильтры с бесконечной и конечной импульсной характеристикой. Фильтр с конечной импульсной характеристикой (КИХ-фильтр) имеет постоянные фазовую и групповую задержки в пределах рабочего частотного диапазона и является всегда устойчивым, поэтому такие фильтры наиболее часто используются при частотно- независимом ЦДФ. Для реализации линий с пространственной задержкой используется система разнесенных в пространстве антенных элементов ЦФАР.
При работе в сверхширокой полосе частот необходимы цепи, обеспечивающие очень высокие скорости передачи и обработки данных, для реализации методов частотно-независимого ЦДФ. Поэтому, применение
существующих методов является вычислительно сложной задачей, особенно при большом количестве антенных элементов в ЦФАР и элементов линий с временной или пространственной задержками.
Таким образом, исследование путей решения задач широкополосного диаграммоформирования при помощи ЦФАР в настоящее время является актуальным.
Степень разработанности темы диссертации.
В настоящее время ЦФАР посвящено достаточно большое количество публикаций. Большой интерес к цифровым антеннам вызван тем, что ДН таких АР достаточно легко управлять. Благодаря этому возникло множество способов формирования и изменения ДН ЦФАР. К способам изменения ДН можно отнести также и адаптацию в АР. В отечественной и зарубежной литературе вопросами адаптации в АР занимались и занимаются такие авторы, как Monzingo R.A. и Miller T.W. (The Aerospace Corporation, США) [1]; Ратынский М.В. (АО «ВНИИРТ») [2]; Григорьев В.А., Щесняк С.С., Гулюшин В.Л., Распаев Ю.А., Лагутенко О.И., Щесняк А.С. (ИТМО) [3, 4, 5]; Джиган В.И. (Институт проблем проектирования в микроэлектронике РАН и Национальный исследовательский университет «МИЭТ») [6]; Журавлев А.К., Лукошкин А.П., Поддубный С.С. (ЛГУ) [7]; Пистолькорс А.А. (СПбГЭТУ «ЛЭТИ») [8]; Applebaum S.P. (General Electric Company, США) [9, 10]; Frost O.L. (ARGO Systems, США) [11]; Немов А.В. (СПбГЭТУ «ЛЭТИ») [12].
Существенный вклад в исследование вопросов формирования ДН ЦФАР внесли следующие авторы Van Trees H.L. (Massachusetts Institute of Technology, США) [13]; Johnson D. H. и Dudgeon D. E. из Rice University (США) [14]; Van Veen B.D. (University of Wisconsin, США) [15]; Воскресенский Д.И., Овчинникова Е.В., Шмачилин П.А. (МАИ) [16]; Баланис К.А., Иоанидес П.И. (Научно- исследовательский центр Лэнгли, США) [17]; Григорьев Л.Н. (МГТУ МИРЭА) [18]; Benesty J. (University of Quebec, Канада) [19]. Также следует отметить отечественных ученых, сделавших существенный вклад в теорию синтеза антенн:
Бахрах Д.И., Зелкин Е.Г., Яковлев С.А., Минкович Б.М.
Исследования частотно-независимых АР начались с независимых
исследований американских ученых Hixson E.L., Au K.T. [20] и Smith R. [21], в акустическом диапазоне. Позже, Lee T.-S. предложил использование метода наименьших квадратов для оценки положения широкополосных сигналов [22]. Применение методов минимизации функций дало толчок к развитию методов формирования частотно-независимой ДН. Yan S. предложил использование выпуклого программирования для формирования ДН [23, 24]. Помимо методов минимизации группа японских ученых под руководством Nishikawa K. предложила использование двумерных КИХ-фильтров [25, 26], синтез которых осуществляется за счет применения преобразования Фурье к маске требуемой ДН. Sekiguchi T. и Karasawa Y. использовали данный подход для синтеза «нулей» в ДН частотно- независимой ЦФАР [27]. Ghavami M. в работе [28] применил подход, предложенный Nishikawa K., к плоским АР. Затем, Liu W. обобщил данный подход на случай многомерных АР [29, 30]. Дальнейшие исследования этого метода представлены в работах разных авторов, например, [31, 32]. Помимо перечисленных авторов и их работ следует отметить работы научной группы из Канады под руководством Benesty J., которые посвящены исследованию многокольцевых частотно-независимых ЦФАР [33-35].
Кроме того, АР с цифровым формированием ДН в настоящее время интенсивно исследуются, как российскими, так и зарубежными авторами, благодаря широким возможностям их применения в различных системах от акустических [33-39] до телекоммуникационных [12, 16, 40-44].
Цели и задачи.
Целью данной работы является разработка методов частотно-независимого ЦДФ с низкой вычислительной сложностью, обеспечивающих возможность сканирования максимума ДН.
В соответствии с поставленной целью в ходе выполнения настоящей работы необходимо решение следующих задач: 1. Выполнить анализ методов ЦДФ для узкополосного и широкополосного
вариантов ЦФАР;
2. Разработать методы частотно-независимого цифрового формирования ДН,
имеющие небольшую вычислительную сложность;
3.Разработать методику синтеза ДН ЦФАР с «нулями» в заданных
направлениях для узкополосного и широкополосного вариантов ЦФАР;
4. Разработать математические модели ЦФАР, позволяющие реализовать методы частотно-независимого ЦДФ и осуществлять синтез ДН с «нулями» в
заданных направлениях;
5. Исследовать характеристики ЦФАР, в которых используются
разработанные методы частотно-независимого ЦДФ. Научная новизна.
1. Реализован с новым качеством относительно ранее известных метод частотно-независимого ЦФД на основе временных задержек, при этом получены аналитические выражения для расчёта весовых коэффициентов КИХ-фильтров, обеспечивающие выполнение синтеза их коэффициентов без использования вычислительно-сложных процедур.
2. Усовершенствован относительно ранее известного метод частотно- независимого ЦФД на основе линий с пространственной задержкой, при этом получены аналитические выражения для расчета параметров логопериодических антенных решеток, выражения для выбора размеров АР, а также для коррекции фазового распределения в раскрыве такой АР.
3. Метод синтеза «нулей» в ДН узкополосной ЦФАР усовершенствован путем его расширения на случай частотно-независимой ЦФАР с использованием временных задержек. Предложены два способа реализации такого метода.
Теоретическая и практическая значимость работы.
1. Показано, что фазовый центр (ФЦ) ДН ЦФАР с «нулями», в заданных направлениях, а также в случае адаптации с линейными ограничениями, сохраняет свое положение в заданном частотном диапазоне; 2. Статистическая теория антенн применена к ЦФАР для оценки средних
характеристик ДН.
3. Разработаны методы формирования частотно-независимой ДН ЦФАР с по-
мощью временных и пространственных задержек, не требующие больших вычис- лительных затрат;
4. Разработаны программы для ЭВМ, предназначенные для:
 синтеза ДН частотно-независимых ЦФАР, содержащих КИХ-фильтры;
 расчета коэффициентов КИХ-фильтров, по известному и предложенным
методам, обеспечивающих реализацию необходимых частотных характеристик для получения глубоких провалов («нулей») в ДН ЦФАР;
синтеза ДН дуговой частотно-независимой ЦФАР, составленной из логопериодических антенных решеток.
Методы исследования.
Для решения задач диссертационной работы при исследовании характеристик ЦФАР применялись методы минимизации многомерных функций, линейная алгебра, комплексный анализ, статистическая теория антенн. Проведение численных и натурных экспериментов.
Положения, выносимые на защиту.
1. Синтез коэффициентов КИХ-фильтров для сканирования частотно- независимой ДН может быть выполнен по предложенному методу, основанному на применении временных задержек, причем полученная ДН сохраняет частотно- независимые свойства в нормированной полосе частот /max0,3;1 при
количестве элементов в ЦФАР N = 16.
2. Частотно-независимое ЦДФ с использованием пространственных
задержек реализуется при помощи следующей методики: расчет геометрических размеров логопериодических антенных решеток; выбор размеров дуговой ЦФАР, составленной из логопериодических антенных решеток; расчет корректирующих фаз.
3.Количество операций сложения и умножения, необходимых для выполнения прямого метода синтеза «нулей» в ДН частотно-независимой ЦФАР, на порядок меньше количества операций необходимых для выполнения синтеза
существующим методом в пространстве лучей при количестве элементов в ЦФАР N ≥ 10 и количестве коэффициентов КИХ-фильтров M ≥ 10.
Апробация результатов работы.
Полученные результаты работы докладывались на конференциях:
 5-ая Международная научно-практическая конференция «Актуальные
проблемы радиофизики», Томский государственный университет г. Томск, 2013г.  Международная научно-практическая конференция «Электронные средства и системы управления», Томский государственный университет систем
управления и радиоэлектроники, г. Томск, 2014 г.
 6-ая Международная научно-практическая конференция «Актуальные
проблемы радиофизики», Томский государственный университет, г. Томск, 2015г.  2-я Всероссийская научно-техническая конференция «Системы Связи и Радионавигации», АО «Научно–производственное предприятие «Радиосвязь», г.
Красноярск, 2015 г.
 International IEEE Siberian Conference on Control and Communications
(SIBCON), Омский государственный технический университет, г. Омск, 2015 г.
 3-я Всероссийская научно-техническая конференция «Системы Связи и Радионавигации», АО «Научно–производственное предприятие «Радиосвязь», г.
Красноярск, 2016 г.
 International IEEE Siberian Conference on Control and Communications
(SIBCON), Высшая школа экономики, г. Москва, 2016 г.
 International IEEE Siberian Conference on Control and Communications
(SIBCON), Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники, г. Томск, 2019 г.
Radiation and Scattering of Electromagnetic Waves (RSEMW), п. Дивноморское, 2019 г.
Внедрение результатов работы.
Результаты работы внедрены в научно-исследовательские и опытно- конструкторские работы СПбГЭТУ (ЛЭТИ), АО «ИСС», СФУ: «Разработка ЦФАР диапазона 8,0-18,0 ГГц», «Разработка технического проекта и макета беззапросной
измерительной системы помехоустойчивой (БИС-ПН)», «Методы цифрового диаграммоформирования для частотно-инвариантных систем пространственно- временной обработки сигналов»
Публикации.
По материалам диссертационного исследования опубликовано 13 научных работ, из них 8 статей в изданиях из перечня ВАК, 4 в сборниках публикаций, индексируемых в наукометрической базе Scopus, получены 3 свидетельства о регистрации программ для ЭВМ.
Достоверность результатов подтверждается корректным применением численных и аналитических методов, применением апробированных САПР при расчетах характеристик ЦФАР, соответствием полученных при исследовании результатов с результатами, опубликованными в литературе, результатами компьютерного моделирования, экспериментальных исследований. Результаты работы являются воспроизводимыми, наблюдается совпадение результатов моделирования и экспериментальных исследований.
Личный вклад автора заключается в следующем:
 разработка метода частотно-независимого ЦДФ с применением временных задержек, не требующего больших вычислительных затрат;
 метод синтеза «нулей», с представлением результирующей ДН в виде суммы «парциальных» ДН расширен на случай частотно-независимых ЦФАР;
 разработка модели частотно-независимой ЦФАР, с применением временных задержек;
 разработка модели частотно-независимой ЦФАР, с применением пространственных задержек;
 выполнение численных и натурных экспериментов по исследованию характеристик частотно-независимых ЦФАР.
Результаты натурных экспериментов и структурные схемы ЦФАР получены совместно с соавторами научных публикаций.

12 Структура и объем диссертации.
Диссертационная работа состоит из Введения, четырех глав, Выводов, Заключения, списка литературы и Приложений. Работа изложена на 146 страницах машинописного текста, содержит 84 рисунка и 3 таблицы. Список использованных источников насчитывает 116 наименований. Приложения содержат акты использования результатов исследований и копии свидетельств о регистрации программ ЭВМ.

Заказать новую

Лучшие эксперты сервиса ждут твоего задания

от 5 000 ₽

Не подошла эта работа?

Закажи новую работу, сделанную по твоим требованиям

Читать

Помогаем с подготовкой сопроводительных документов

Совместно разработаем индивидуальный план и выберем тему работы Подробнее

Помощь в подготовке к кандидатскому экзамену и допуске к нему Подробнее

Поможем в написании научных статей для публикации в журналах ВАК Подробнее

Структурируем работу и напишем автореферат Подробнее

Хочешь уникальную работу?

Больше 3 000 экспертов уже готовы начать работу над твоим проектом!

Пишу качественные выпускные квалификационные работы и магистерские диссертации. Опыт написания работ - более восьми лет. Всегда на связи.

#Кандидатские #Магистерские

28 Выполненных работ

Выполняю работы по экономическим дисциплинам. Маркетинг, менеджмент, управление персоналом. управление проектами. Есть опыт написания магистерских и кандидатских диссе... Читать все

#Кандидатские #Магистерские

31 Выполненная работа

Более 40 лет занимаюсь преподавательской деятельностью. Специалист в области философии, логики и социальной работы. Кандидатская диссертация - по логике, докторская - ... Читать все

Более 40 лет занимаюсь преподавательской деятельностью. Специалист в области философии, логики и социальной работы. Кандидатская диссертация - по логике, докторская - по социальной работе.

#Кандидатские #Магистерские

260 Выполненных работ

Преподаю англ язык более 10 лет, есть опыт работы в университете, школе и студии англ языка. Защитила кандидатскую диссертацию в 2009 году. Имею большой опыт написания... Читать все

Преподаю англ язык более 10 лет, есть опыт работы в университете, школе и студии англ языка. Защитила кандидатскую диссертацию в 2009 году. Имею большой опыт написания и проверки (в качестве преподавателя) контрольных и курсовых работ.

#Кандидатские #Магистерские

16 Выполненных работ

Работаю только по книгам, учебникам, статьям и диссертациям. Никогда не использую технические способы поднятия оригинальности. Только авторские работы. Стараюсь учитыв... Читать все

Работаю только по книгам, учебникам, статьям и диссертациям. Никогда не использую технические способы поднятия оригинальности. Только авторские работы. Стараюсь учитывать все требования и пожелания.

#Кандидатские #Магистерские

213 Выполненных работ

Помогаю студентам с решением задач по ТОЭ и физике на протяжении 9 лет. Пишу диссертацию на соискание степени кандидата технических наук, имею опыт годовой стажировки ... Читать все

Помогаю студентам с решением задач по ТОЭ и физике на протяжении 9 лет. Пишу диссертацию на соискание степени кандидата технических наук, имею опыт годовой стажировки в одном из крупнейших университетов Германии.

#Кандидатские #Магистерские

9 Выполненных работ

Занимаюсь написанием студенческих работ (дипломные работы, маг. диссертации). Участник международных конференций (экономика/менеджмент/юриспруденция). Постоянно публик... Читать все

#Кандидатские #Магистерские

1386 Выполненных работ

Окончила магистратуру Воронежского государственного университета в 2009 г. В 2014 г. защитила кандидатскую диссертацию. С 2010 г. преподаю в Воронежском государственно... Читать все

Окончила магистратуру Воронежского государственного университета в 2009 г. В 2014 г. защитила кандидатскую диссертацию. С 2010 г. преподаю в Воронежском государственном университете инженерных технологий.

#Кандидатские #Магистерские

66 Выполненных работ

Мой опыт в написании работ - 9 лет. Я специализируюсь на написании курсовых работ, ВКР и магистерских диссертаций, также пишу научные статьи, провожу исследования и со... Читать все

Мой опыт в написании работ - 9 лет. Я специализируюсь на написании курсовых работ, ВКР и магистерских диссертаций, также пишу научные статьи, провожу исследования и создаю красивые презентации. Сопровождаю работы до сдачи, на связи 24/7 ?

#Кандидатские #Магистерские

359 Выполненных работ