Способ определения диаграммы направленности фазированной антенной решетки
METHOD OF DETERMINING BEAM PATTERN OF PHASED ANTENNA ARRAY

Изобретение относится к области антенной техники и может быть использовано для определения характеристик фазированных антенных решеток.
Известен способ измерения ДН фазированных антенных решеток (ФАР), заключающийся в измерении поля в дальней зоне ФАР с помощью вспомогательной антенны [Методы измерения характеристик антенн СВЧ / Л.Н. Захарьев, А.А. Леманский, В.И. Турчин и др.; Под ред. Н.М. Цейтлина. - М.: Радио и связь, 1985, с. 71-128]. Этот способ реализуется путем расположения вспомогательной антенны в зоне прямой видимости испытуемой ФАР и на таком расстоянии от испытуемой ФАР, где выполняется условие дальней зоны [Методы измерения характеристик антенн СВЧ / Л.Н. Захарьев, А.А. Леманский, В.И. Турчин и др.; Под ред. Н.М. Цейтлина. - М.: Радио и связь, 1985, с. 8]. При этом испытуемая ФАР и вспомогательная антенна располагаются на вышках. Основными недостатками способа являются трудность выполнения условия дальней зоны и необходимость больших, специально оборудованных полигонов. Недостатки этого способа устранены в способах измерения характеристик антенн в ближней зоне, основанных на формировании плоской волны в области раскрыва антенны.
В способе ближней зоны, известном как амплифазометрический или радиоголографичекий [Методы измерения характеристик антенн СВЧ / Л.Н. Захарьев, А.А. Леманский, В.И. Турчин и др.; Под ред. Н.М. Цейтлина. - М.: Радио и связь, 1985, с. 136], амплитуда и фаза сигнала излучаемого испытуемой ФАР измеряются с помощью слабонаправленной измерительной антенны, перемещающейся вблизи испытуемой антенны вдоль некоторой воображаемой поверхности. В случае работы испытуемой антенны в режиме приема сигнала, для каждого пространственного положения измерительной антенны измеряются и запоминаются амплитуда и фаза сигнала на выходе испытуемой антенны. Дальнейшая обработка результатов измерений позволяет рассчитать электромагнитное поле с плоским фазовым фронтом в области расположения испытуемой антенны и определить ДН. Недостатком этого способа являются низкая точность измерений амплитуд и фаз сигналов.
Указанный недостаток устранен в способе определения диаграммы направленности фазированной антенной решетки [Патент RU 2343495 С2]. Этот способ наиболее близок по технической сущности к предлагаемому способу. Этот способ определения диаграммы направленности фазированной антенной решетки включает прием или излучение сигналов фазированной антенной решеткой, изменение сдвигов фаз одного или нескольких элементов фазированной антенной решетки, измерение амплитуды и фазы сигнала, переданного или принятого вспомогательной антенной, определение из измеренных данных амплитуды и фазы возбуждения элементов и вычисления диаграммы направленности фазированной антенной решетки в соответствии с математической моделью
где  - диаграмма направленности фазированной антенной решетки;
- комплексная амплитуда n-го элемента фазированной антенной решетки;
- диаграмма направленности n-го элемента фазированной антенной решетки;
N - количество элементов фазированной антенной решетки.
Испытуемая фазированная антенная решетка располагается перед коллиматором в такой области, где излучаемое или принимаемое электромагнитное поле представляет собой плоскую волну, параллельно фронту плоской волны таким образом, чтобы электрические длины путей от элементов фазированной антенной решетки до входа измерительной аппаратуры были одинаковы, а измеренные значения амплитуды и фазы сигнала, переданного или принятого вспомогательной антенной, непосредственно используются для восстановления диаграммы направленности в соответствии с вышеупомянутой математической моделью.
Недостатками прототипа являются:
1. Необходимо измерения проводить в поле плоской волны, создаваемой коллиматором.
2. Необходимо, чтобы у измеряемой ФАР электрические длины путей от элементов ФАР до входа измерительной аппаратуры были одинаковы.
3. В прототипе в процессе измерений требуется перебор всех фазовых состояний каждого фазовращателя, что ведет к значительному увеличению времени измерений.
4. Перед определением диаграммы направленности в прототипе требуется определение из измеренных данных амплитуды и фазы возбуждения элементов ФАР. Для выполнения данной операции необходимо решать систему линейных уравнений большого порядка, что требует значительного времени обработки.
5. Необходимость использования математической модели.
6. ДН одного элемента ФАР в прототипе используется дважды - при определении АФР и при определении ДН, что является источником дополнительных ошибок.
Задачей изобретения является достижение возможности определения диаграммы направленности фазированной антенной решетки (ФАР), в различных условиях проведения измерений.
Техническим результатом предлагаемого способа является повышение точности и уменьшение времени определения диаграммы направленности фазированных антенных решеток.
Сущность предлагаемого способа определения диаграммы направленности фазированной антенной решетки состоит в приеме или излучении сигналов фазированной антенной решеткой, при этом сигналы переносятся электромагнитным полем, изменении сдвигов фаз сигналов, проходящих через один или несколько элементов фазированной антенной решетки, измерении измерительной аппаратурой амплитуды и фазы сигнала, переданного или принятого вспомогательной антенной, при этом фазированная антенная решетка располагается в такой области, где излучаемое или принимаемое электромагнитное поле представляет собой плоскую электромагнитную волну.
Новым в заявляемом изобретении является то, что задают набор направлений луча, охватывающий область видимости фазированной антенной решетки, плоскость раскрыва фазированной антенной решетки, электрические длины, от элементов которой, до входа измерительной аппаратуры произвольны, располагают под углом относительно фронта плоской электромагнитной волны, изменяя с помощью фазовращателей сдвиги фаз сигналов, проходящих через элементы фазированной антенной решетки, устанавливают луч фазированной антенной решетки в одно из направлений набора, измеряют амплитуду и фазу сигнала, затем операции повторяют, каждый раз устанавливая луч фазированной антенной решетки последовательно в остальные направления, амплитуды сигнала, измеренные при каждом направлении луча, умножают на заранее определенные для этих направлений амплитуды сигнала от одного элемента в составе фазированной антенной решетки, а фазы сигнала, измеренные при каждом направлении луча, складывают с заранее определенными для этих направлений фазами сигнала от одного элемента в составе фазированной антенной решетки.
На чертеже приведен один из вариантов реализации схемы измерений, где:
1 - ФАР;
2 - компьютер;
3 - коммутатор сверхвысокой частоты;
4 - генератор сигнала сверхвысокой частоты;
5 - вспомогательная антенна;
6 - измерительная аппаратура;
7 - блок управления ФАР.
В режиме работы ФАР (1) на прием определение ДН осуществляется следующим образом.
ФАР (1) до начала измерений располагается фиксированно относительно фронта плоской электромагнитной волны, в процессе измерений ФАР остается неподвижной. При этом у ФАР электрические длины от различных элементов ФАР до входа измерительной аппаратуры могут быть неодинаковы.
Компьютер (2) дает команду коммутатору (3) пропускать сигнал от генератора (4) на вспомогательную антенну (5), а сигнал, принятый ФАР (1), передавать на измерительную аппаратуру (6).
С помощью генератора (4) генерируется сигнал, который проходит через коммутатор (3) и непрерывно излучается в пространство с помощью вспомогательной антенны (5). Сигнал в пространстве представляет собой электромагнитную волну. Вспомогательная антенна (5) обеспечивает формирование в области расположения ФАР (1) плоского фронта этой электромагнитной волны.
Устанавливают луч ФАР (1) с помощью блока управления ФАР (7) и фазовращателей в заранее заданное направление и принимают сигнал, пришедший от вспомогательной антенны (5). Сигнал от ФАР через коммутатор (3) поступает на измерительную аппаратуру (6), которая измеряет амплитуду и фазу сигнала и запоминает их.
Затем луч ФАР устанавливают в следующее заранее заданное направление и повторяют измерения. Перечисленные действия повторяют для всех заданных направлений луча. Затем амплитуды сигнала, измеренные при каждом направлении луча, поступают в компьютер (2), где их умножают на заранее определенные для этих направлений амплитуды сигнала от одного элемента в составе фазированной антенной решетки. Фазы сигнала, измеренные при каждом направлении луча, также поступают в компьютер (2), где они складываются с заранее определенными для этих направлений фазами сигнала от одного элемента в составе фазированной антенной решетки. Заранее определенные для заданных направлений луча амплитуды и фазы сигнала от одного элемента в составе фазированной антенной решетки представляют собой диаграмму направленности одного элемента.
Предлагаемый способ в случае излучения сигнала фазированной антенной решеткой может быть осуществлен аналогичным образом. Компьютер (2) дает команду коммутатору (3) пропускать сигнал от генератора сигнала на ФАР (1), а сигнал, принятый вспомогательной антенной (5), передавать на измерительную аппаратуру (6). При этом сигнал излучается самой ФАР (1) и принимается вспомогательной антенной. Измерения амплитуд и фаз сигнала на передачу проводят по тем же операциям, что и на прием.
В процессе проведения измерений плоский фронт электромагнитной волны может быть сформирован как посредством использования коллиматора, так и удалением вспомогательной антенны в дальнюю зону ФАР. Главным условием в заявляемом изобретении является формирование плоского фронта электромагнитной волны в области расположения ФАР.
Предлагаемый способ свободен от недостатков, присущих прототипу, поскольку:
1) в предлагаемом способе измерения можно проводить как в малогабаритных безэховых камерах, использующих коллиматор, так и в условиях полигонов при установке вспомогательной антенны в дальней зоне;
2) в предлагаемом способе не требуется, чтобы электрические длины путей от элементов ФАР до входа измерительной аппаратуры были одинаковы;
3) в предлагаемом способе не требуется перебор всех фазовых состояний каждого фазовращателя;
4) в предлагаемом способе не требуется промежуточная операция определения из измеренных данных амплитуды и фазы возбуждения элементов;
5) не требуется использование математической модели;
6) в предлагаемом способе ДН одного элемента ФАР используется один раз (в прототипе - дважды), только при определении ДН непосредственно из измеренных значений амплитуд и фаз принятого сигнала.
Перечисленные преимущества предлагаемого способа позволяют считать способ универсальным по организации условий проведения измерений, а также повысить точность и уменьшить время определения диаграммы направленности фазированных антенных решеток.