Аннотация результатов, полученных в 2025 году
В соответствии с планом работ за первый год реализации Проекта выполнены фундаментальные исследования в области создания малогабаритной помехозащищенной антенной системы для ГНСС. Работы велись по следующим ключевым направлениям: разработка математических моделей, проектирование антенных элементов, исследование взаимного влияния в антенных решетках, синтез алгоритмов адаптивной обработки и снижение их вычислительной сложности, а также разработка методик оценки. Получены следующие научные и практические результаты: 1. Разработка математической модели цифровой восьмиэлементной антенной решетки (ЦАР) и исследование алгоритмов пространственно-временной обработки. Разработана комплексная математическая модель адаптивной антенной решетки. Модель реализует обработку сигналов как на несущей, так и на промежуточной частоте с использованием КИХ-фильтров для формирования необходимых временных задержек. На ее базе проведено сравнительное исследование алгоритмов цифрового диаграммоформирования. Проанализированы стационарные методы (синтез нулей на основе взвешенного суммирования) и адаптивные алгоритмы, наиболее пригодные для навигационных систем, где полезный сигнал ниже уровня шума. Особое внимание уделено алгоритмам с линейными ограничениями, в частности, линейно-ограниченной винеровской фильтрации (LCMV). Установлено, что для эффективного подавления мощных широкополосных помех (полосой до 50 МГц) и компенсации искажений в антенно-фидерных трактах необходимо использовать КИХ-фильтры порядка не менее 8. 2. Разработка и электродинамическое моделирование компактных антенных элементов (АЭ) круговой поляризации. Проведен комплексный анализ и моделирование широкого класса компактных АЭ, предназначенных для интеграции в малогабаритные АР. Для двухчастотного режима исследованы: – Печатные патч-антенны (однослойные и двухслойные в стеке) с продольным размером λ/10, обеспечивающие согласование в диапазонах L1/L2 ГНСС на уровне -10 дБ и коэффициент эллиптичности (КЭ) не менее 0.6 в диапазоне углов ГНСС. – Квадрупольная антенна с диэлектрическим резонатором (ε=25, размер λ/8), демонстрирующая коэффициент усиления (КУ) 5-6 дБи и широкий сектор с КЭ >0.7 в диапазоне углов ГНСС. – Щелевая антенна с объемным резонатором, обеспечивающая малые потери (0.3 дБ) и КУ=6 дБи. Для широкополосного приема исследована антенна на основе объемного резонатора с крестообразной щелью. Показано, что заполнение резонатора диэлектриком с высокой диэлектрической проницаемостью (ε=25) позволяет сократить продольный размер до λ/8 при сохранении широкополосного согласования во всех диапазонах ГНСС, КУ=5-6 дБи и КЭ>0.7 в диапазоне углов ГНСС. На основе анализа определены наиболее перспективные для компактных АР конструкции: квадрупольная антенна, печатная антенна в стеке и щелевая антенна с диэлектрическим заполнением. 3. Исследование взаимного влияния АЭ в составе кольцевой ЦАР и методов его снижения. Проведено параметрическое исследование восьмиэлементных кольцевых АР на основе различных типов АЭ. Установлена зависимость разброса амплитудно-фазовых характеристик (ΔА и ΔΦ) между элементами от диаметра решетки (D) и типа излучателя. Наилучшую равномерность показала АР на основе элементов с крестообразной щелью: при D ≥ 160 мм разброс составляет ΔА ≤ 2 дБ и ΔΦ ≤ 20°. Для АР на основе печатных патч-антенн достижение аналогичных показателей потребовало применения специальных мер развязки. Исследованы пассивные методы повышения развязки: – Применение радиопоглощающих материалов (РПМ): Моделирование с использованием низкопрофильного РПМ LS-30 показало значительное снижение ΔА и ΔΦ. Оптимизация зазора между РПМ и подложкой (S ≥ 6 мм) позволила снизить потери. – Анализ перспектив использования высокоимпедансных поверхностей и метаматериалов: Проведен обзор современных решений, выявлены их преимущества (перераспределение энергии вместо поглощения) и ограничения для сверхкомпактных ГНСС-решеток (узкополосность, габариты). – Предложены программные методы компенсации взаимного влияния, основанные на калибровке АР и эквализации частотных характеристик антенно-фидерных трактов с помощью КИХ-фильтров. 4. Анализ и разработка методов снижения вычислительной сложности алгоритмов ПВОС. Проведен системный анализ путей снижения вычислительной нагрузки при реализации адаптивных алгоритмов в реальном времени. Рассмотрены: – Рекуррентные алгоритмы (LMS, NLMS, RLS, QR-RLS, алгоритм аффинных проекций), позволяющие избежать прямого обращения корреляционной матрицы. – Методы редукции размерности: пространственная децимация и переход в пространство лучей (Beamspace Beamforming), снижающие порядок решаемой задачи. – Эффективные архитектуры, такие как компенсатор боковых лепестков (GSC). Рассмотрены аппаратные аспекты: сравнение целочисленной и вещественной арифметики, применение алгоритма CORDIC для эффективной реализации вращений Гивенса в QR-разложениях. Сделан вывод, что наиболее эффективен комбинированный подход, сочетающий редукцию размерности, устойчивую архитектуру (GSC) и целочисленные рекуррентные алгоритмы (например, QR-RLS на CORDIC), что оптимально для систем с жесткими ограничениями по энергопотреблению. 5. Разработка методик оценки. Предложен и апробирован коэффициент подавления помех как интегральный показатель качества работы адаптивной АР. 6. Проведено проектирование аналоговых трактов. Разработаны и исследованы макеты аналоговых радиотрактов с каскадным усилением и фильтрацией. В ходе экспериментальных исследований достигнут коэффициент шума не более 1.6 дБ при коэффициенте усиления не менее 40 дБ в многочастотном режиме ГНСС (L1, L2/L3), что превосходит параметры серийного модуля Taoglas TFM.110A. Показана возможность эффективной реализации двухполосного фильтра на диапазоны L1 и L2/L3 на основе параллельного соединения полосовых фильтров. Внедрение и публикация результатов: Результаты работ были представлены на двух научных конференциях: VI международной «Antenna Design and Measurement International Conference 2025» (ADMInC’25) и VI всероссийской «Антенны и распространение радиоволн 2025» (АРР’25). По материалам исследований опубликовано три статьи в рецензируемых изданиях: две в «Журнале радиоэлектроники» (Россия) и одна в журнале «Microwave Review» (Сербия). Заключение: Выполненный комплекс работ послужит основой для следующего этапа проекта, направленного на создание экспериментального образца компактной помехозащищенной антенной системы ГНСС. Полученные результаты вносят вклад в развитие технологий адаптивной пространственно-временной обработки сигналов, миниатюризации антенных элементов и снижения взаимного влияния в компактных антенных решетках.