Восстановление диаграммы направленности цифровой антенной решетки с дефектными элементами

Введение. Компенсация негативного влияния дефектных элементов цифровых антенных решеток на характеристики диаграммы направленности – одна из основных проблем при создании и эксплуатации подобных систем. В настоящее время предложено большое количество способов решения этой проблемы, основанных на поиске нового амплитудно-фазового распределения в исправных элементах, позволяющего сохранить прежними ширину диаграммы направленности и уровень боковых лепестков антенны. В предлагаемых способах нахождение нового амплитудно-фазового распределения осуществляется поиском в пространстве коэффициентов экстремума функции качества, которая учитывает изменение характеристик диаграммы направленности при появлении дефектных элементов. Для организации поиска используются известные методы оптимизации (метод сопряженных градиентов, метод проекций, генетические алгоритмы и проч.). Реализация данных способов основана на организации итерационных процедур. Это значительно увеличивает время нахождения необходимого решения и нагрузку на сигнальный процессор.

Цель работы. Разработка прямого алгоритма восстановления исходной диаграммы направленности цифровой фазированной антенной решетки при появлении в ее составе дефектных элементов.

Материалы и методы. Описываемый в статье алгоритм восстановления основан на оценке пространственной частоты принятой антенной волны по сигналам в исправных элементах методом наименьших квадратов.

Результаты. Предложен простой, безытерационный алгоритм, позволяющий быстро восстановить значения диаграммы направленности цифровой антенной решетки. Методом компьютерного моделирования показано, что при отношении сигнал/шум 20 дБ в элементах антенной решетки, содержащей 16 элементов, алгоритм восстанавливает коэффициент направленного действия, ширину диаграммы направленности и уровень максимального бокового лепестка с точностью не хуже соответственно 2, 5 и 1 % от значений перечисленных параметров в отсутствие дефектных элементов.

Заключение. Предлагаемый алгоритм восстановления диаграммы направленности цифровой антенной решетки может быть использован в программном обеспечении сигнального процессора, управляющего работой антенной системы, для компенсации влияния дефектных элементов.

1. Mailloux R. J. Phased Array Antenna Handbook. Boston: Artech House, 2005. 496 p.

2. Agrawal A. K., Holzman E. L. Active phased array design for high reliability // IEEE Trans. on Aerospace and Electronic Systems. 1999. Vol. 35, № 4. P. 1204–1211. doi: 10.1109/7.805438

3. Бибарсов М. Р., Крячко А. Ф., Пшеничников А. В. Оценка состояния функционирования фазированной антенной решетки при нарушении работоспособности фазовращателей антенных элементов // Изв. вузов России. Радиоэлектроника. 2024. Т. 27, № 6. С. 20–29. doi: 10.32603/1993-8985-2024-27-6-20-29

4. Peters T. J. A conjugate gradient based algorithm to minimize the sidelobe level of planar arrays with element failures // IEEE Trans. on Antennas and Propagation. 1991. Vol. 39, № 10. P. 1497–1504. doi: 10.1109/8.97381

5. Yeo B. K., Lu Y. Array failure correction with a genetic algorithm // IEEE Trans. on Antennas and Propagation. 1999. Vol. 47, № 5. P. 823–828. doi: 10.1109/8.774136

6. Radiation Pattern Correction of Faulty Planar Phased Array Using Genetic Algorithm / R. A. B. Saleem, A. A. Shah, H. Munsif, A. I. Najam, S. Khattak, I. Ullah // Advanced Electromagnetics. 2024. Vol. 13, № 2. P. 23–31. doi: 10.7716/aem.v13i2.2439

7. Yang Y., Stark H. Design of Self-Healing Arrays Using Vector-Space Projections // IEEE Trans. on Antennas and Propagation. 2001. Vol. 49, № 4. P. 526–534. doi: 10.1109/8.923311

8. Acharya O. P., Patnaik A. Antenna Array Failure Correction [Antenna Applications Corner] // IEEE Antennas and Propagation Magazine. IEEE, 2017. Vol. 59, № 6. P. 106–115. doi: 10.1109/map.2017.2752683

9. Correction of Faulty Sensors in Phased Array Radars Using Symmetrical Sensor Failure Technique and Cultural Algorithm with Differential Evolution / S. U. Khan, I. M. Qureshi, F. Zaman, B. Shoaib, A. Naveed, A. Basit // The Scientific World J. 2014. Vol. 2014. P. 1–10. doi: 10.1155/2014/852539

10. Null Placement and Sidelobe Suppression in Failed Array Using Symmetrical Element Failure Technique and Hybrid Heuristic Computation / S. U. Khan, I. M. Qureshi, F. Zaman, A. Naveed // Progress in Electromagnetics Research B. 2013. Vol. 52. P. 165–184. doi: 10.2528/pierb13032712

11. Guney K., Durmus A., Basbug S. Antenna Array Synthesis and Failure Correction Using Differential Search Algorithm // Int. J. of Antennas and Propagation. 2014. Vol. 2014. P. 1–8. doi: 10.1155/2014/276754

12. Grewal N., Rattan M., Patterh M. A Linear Antenna Array Failure Correction with Null Steering using Firefly Algorithm // Defence Science J. 2014. Vol. 64, № 2. P. 136–142. doi: 10.14429/dsj.64.4250

13. Correction of failure in linear antenna arrays with greedy sparseness constrained optimization technique / S. U. Khan, M. K. A. Rahim, M. Aminu-Baba, N. A. Murad // PLOS ONE. 2017. Vol. 12, № 12. Art. № e0189240. P. 1–18. doi: 10.1371/journal.pone.0189240

14. Patidar H., Maheshwari V., Kar R. Linear Antenna Array Failure Correction with Mutual Coupling Effects using Element Position of the Array Elements // J. of Eng. Science and Technology Review. 2022. Vol. 15, № 2. P. 15–21. doi: 10.25103/jestr.152.03

15. Гусевский В. И., Дупленкова М. Д., Цветкова О. Н. Дистанционное восстановление диаграммы направленности фазированных антенных решеток // Радиотехника и электроника. 2021. Т. 66, № 4. С. 373–379. doi: 10.31857/S0033849421030062

16. Planar Array Failed Element(s) Radiation Pattern Correction: A Comparison / N. Boopalan, A. K. Ramasamy F. Nagi, A. A. Alkahtani // Applied Sciences. 2021. Vol. 11, № 19. Art. № 9234. doi: 10.3390/app11199234

17. Mailloux R. J. A phased array error correction scheme // Proc. of IEEE Antennas and Propagation Society Intern. Symp., Ann Arbor, USA, 28 June–02 July 1993. IEEE, 1993. P. 202–205. doi: 10.1109/APS.1993.385368

18. Mailloux R. J. Array Failure Correction with a Digitally Beamformed Array // IEEE Trans. on Antennas and Propagation. 1996. Vol. 44, № 12. P. 1543–1550. doi: 10.1109/8.546240

19. Steyskal H., Mailloux R. J. Generalisation of an array-failure-correction method // IEE Proc. - Microwaves, Antennas and Propagation. 1998. Vol. 145, № 4. P. 332–336. doi: 10.1049/ip-map:19982059