СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ КОМПЛЕКСНЫХ АМПЛИТУД ВОЗБУЖДЕНИЯ КАНАЛОВ ФАЗИРОВАННОЙ АНТЕННОЙ РЕШЕТКИ
METHOD OF MEASURING COMPLEX EXCITATION AMPLITUDES OF PHASED ANTENNA ARRAY CHANNELS

Изобретение относится к технике антенных измерений и может быть использовано для измерения комплексных амплитуд возбуждения каналов фазированной антенной решетки (ФАР), в частности, в составе штатной аппаратуры радиолокационной станции.
Известен апертурно-зондовый способ измерения амплитудно-фазового распределения поля ФАР, при котором напряженность поля в различных точках выбранной для измерения поверхности регистрируется перемещающимся измерителем поля (Фрадин А.З., Рыжков Е.В. Измерение параметров антенно-фидерных устройств. - М.: Связь, 1972, - 236 с., с. 214-215).
Недостатками способа являются:
- высокая трудоемкость измерений;
- высокая суммарная ошибка из-за влияния зонда и механизма его перемещения на параметры излучателей каналов ФАР, погрешностей позиционирования, а также взаимовлияние каналов при измерениях;
- высокие требования к конструкции ФАР, связанные с необходимостью точной ориентации зонда и каналов в ФАР;
- высокая сложность оборудования, осуществляющего точные механические перемещения зонда относительно каналов ФАР.
Известен способ измерения комплексных амплитуд возбуждения каналов ФАР, включающий генерацию контрольного сигнала сверхвысокой частоты, излучение его неподвижным зондом, прием контрольного сигнала ФАР при поочередной модуляции фазы сигнала каждого канала ФАР, преобразование сигнала на видеочастоту и формирование квадратурных составляющих, при котором переключение канала в каждое фазовое состояние производят один раз, в каждом фазовом состоянии канала последовательно осуществляют серию преобразований аналогового сигнала в цифровой вид и запоминают серии цифровых отсчетов сигнала, поочередно, по одному из каждой серии, считывают все цифровые отсчеты сигнала, из полученной последовательности выделяют сигнал коммутируемого канала и вычисляют комплексные амплитуды возбуждения канала (Патент РФ №2267795, МПК G01R 29/10, 2004 г.).
Недостатками данного способа являются:
- наличие ошибок измерения фазовых коэффициентов каждого канала вследствие зависимости их от начальной фазы суммарного сигнала, которая может изменяться в процессе измерений в результате взаимных перемещений зонда и ФАР (особенно при установке зонда или ФАР вне укрытий, когда они подвержены ветровым нагрузкам);
- высокая сложность и стоимость измерительной аппаратуры, так как способ требует фазовой привязки контрольного сигнала сверхвысокой частоты, излучаемого зондом, и сигнала гетеродина для формирования квадратурных составляющих принятого сигнала;
- невозможность проведения измерений и настройки ФАР в составе радиолокационной станции без доработок ее штатной аппаратуры;
- невозможность настройки ФАР, работающих на передачу;
- необходимость проведения предварительного измерения характеристик ферритовых фазовращателей, входящих в состав каналов ФАР;
- невозможность измерения амплитуды возбуждения каналов фазированной антенной решетки (ФАР) и крутизны перестроечной фазо-временной характеристики ферритовых фазовращателей, входящих в состав каналов ФАР.
Наиболее близким к предлагаемому способу является способ измерения комплексных амплитуд возбуждения каналов ФАР методом МТЕ (Measrement of two elements, или измерение двух элементов).
Для определения характеристик каналов этим методом состояние фазовращателя опорного канала фиксируется, затем фазовращатель тестируемого канала последовательно устанавливается во всевозможные состояния L=2n и производится измерение мощности суммарного сигнала.
При переключении фазовращателя фаза тестируемого сигнала совершает полный оборот, при этом суммарный сигнал описывает окружность вокруг радиус-вектора опорного сигнала. Мощность суммарного сигнала при этом изменяется. Соотношение фаз опорного и тестируемого сигналов может быть определено по положению максимума и минимума мощности, соотношение амплитуд - через отношение минимальной и максимальной амплитуд суммарного сигнала (А.В. Бондарик, A.M. Шитиков, Ф.Г Шубов. Опыт использования в многоканальных фазированных антенных решетках поэлементных методов калибровки без применения фазометрической аппаратуры. - Журнал Антенны, выпуск 1 (92), 2005 г., с. 15-21).
Недостатками данного способа являются:
- необходимость проведения предварительного измерения крутизны перестроечной характеристики ферритовых фазовращателей, входящих в состав каналов ФАР;
- невозможность измерения амплитуды возбуждения каналов ФАР и крутизны перестроечной фазо-временной характеристики ферритовых фазовращателей, входящих в состав каналов ФАР.
Перед авторами стояла задача разработать способ измерения комплексных амплитуд возбуждения каналов ФАР, лишенный перечисленных недостатков.
Техническим результатом заявляемого способа измерения комплексных амплитуд возбуждения каналов ФАР является упрощение аппаратуры, используемой при измерениях при одновременной повышении точности измерений, а также возможность проведения измерений в составе радиолокационной станции с использованием без доработок ее штатной аппаратуры.
min
min
min
i
i
i
Технический результат достигается за счет того, что в способе измерения комплексных амплитуд возбуждения каналов ФАР, использующем неподвижный зонд и включающем генерацию контрольного сигнала сверхвысокой частоты, излучение и прием контрольных сигналов, соответствующих поочередному переключению во все N-состояний фазовращателей каждого из каналов ФАР, соответствующих изменению длительности импульса установки фазового состояния фазовращателя от 0 до Δτ·(N-1), где Δτ - шаг изменения длительности импульса установки фазового состояния фазовращателя, преобразование принятого аналогового сигнала в цифровой вид, комплексную амплитуду возбуждения каждого канала ФАР и крутизну перестроечной характеристики ферритовых фазовращателей, входящих в состав каналов ФАР, определяют путем вычисления для каждого канала ФАР совокупности дискретных преобразований Фурье с числом элементов от N до N, где N выбирается из условия обеспечения длительности импульса установки фазового состояния, равной Δτ·(N-1), при которой вносимый фазовый сдвиг любого фазовращателя каналов ФАР не превысит 360°, причем в качестве исходных данных для дискретных преобразований Фурье используются преобразованные в цифровой вид контрольные сигналы, полученные при поочередном переключении соответствующего канала ФАР, последующего выбора для каждого канала ФАР из совокупности соответствующих ему результатов вычисления дискретных преобразований Фурье результата, имеющего максимальное отношение амплитуды гармоники с самой большой амплитудой, кроме нулевой, к сумме амплитуд остальных, кроме нулевой, гармоник, при этом комплексные амплитуды возбуждения каналов ФАР равны соответствующим комплексным амплитудам гармоник дискретных преобразований Фурье с самой большой амплитудой, кроме нулевых, а крутизна перестроечной характеристики фазовращателя i-го канала ФАР определяется по формуле: S=360°/(Δτ·N), где N - число элементов выбранного дискретного преобразования Фурье, соответствующее i-му каналу ФАР.
Излучение контрольного сигнала сверхвысокой частоты осуществляют неподвижным зондом, а его прием - ФАР.
Излучение контрольного сигнала сверхвысокой частоты осуществляют ФАР, а его прием - неподвижным зондом.
Излучение и прием контрольного сигнала сверхвысокой частоты осуществляют неподвижным зондом.
Поочередное переключение во все N-состояний фазовращателей каждого из каналов ФАР производят не менее двух раз.
Заявляемый способ измерения комплексных амплитуд возбуждения каналов ФАР обладает совокупностью существенных признаков, не известных из уровня техники для изделий подобного назначения, что позволяет сделать вывод о соответствии критерию «новизна» для изобретения.
Заявляемый способ измерения комплексных амплитуд возбуждения каналов ФАР, по мнению заявителей и авторов, соответствует критерию «изобретательский уровень», т.к. для специалистов он явным образом не следует из уровня техники, т.е. не известен из доступных источников научной, технической и патентной информации на дату подачи заявки.
Сущность предлагаемого решения поясняется с помощью чертежей, где:
- на фиг. 1 приведен вариант подключения контрольно-измерительной аппаратуры при проведении измерений параметров каналов ФАР, работающей на прием;
- на фиг. 2 - вариант подключения контрольно-измерительной аппаратуры при проведении измерений параметров каналов отражательной ФАР;
- на фиг. 3 - вариант подключения контрольно-измерительной аппаратуры при проведении измерений параметров каналов ФАР, работающей на передачу;
- на фиг. 4 - графики огибающих выборок принятых сигналов с выхода ФАР и результаты соответствующих им вычислений дискретных преобразований Фурье при различном числе элементов в выборках.
Рассмотрим реализацию способа на примере проведения измерений параметров каналов ФАР, работающей на прием. Вариант схемы соединений контрольно-измерительной аппаратуры для указанного примера, реализующей заявляемый способ представлен на фиг. 1.
В состав схемы входят: неподвижный зонд, содержащий генератор 1 контрольного сигнала со вспомогательной антенной 2, ФАР 3, выход которой соединен с приемником 4, включающим в себя смеситель 5 и гетеродин 6. Выход приемника 4 через АЦП 7 подключен к ЭВМ 8, подключенной в свою очередь к ФАР 3.
Способ реализуется следующим образом.
Неподвижный зонд, содержащий генератор 1 контрольного сигнала со вспомогательной антенной 2, генерирует контрольный сигнал сверхвысокой частоты, который излучают в направлении ФАР 3. Принятый ФАР контрольный сигнал сверхвысокой частоты поступает на приемник 4, включающий в себя смеситель 5 и гетеродин 6, где производят его усиление и преобразование на промежуточную частоту, соответствующую рабочей полосе частот АЦП 7, осуществляющего преобразование принятого аналогового сигнала в цифровой вид. С выхода АЦП 7 цифровой сигнал поступает в ЭВМ 8, осуществляющую обработку данных. Кроме того, ЭВМ 8, управляя ФАР 3, обеспечивает поочередное переключение во все N-состояний фазовращателей каждого из каналов ФАР 3.
Определение комплексной амплитуды возбуждения каждого канала ФАР производят следующим образом.
i
i
Для каждого элемента ФАР берут выборки принятых сигналов в цифровом виде с количеством элементов N, соответствующие изменению длительности импульса установки фазового состояния фазовращателя от 0 до Δτ·(N-1),
где Δτ - шаг изменения длительности импульса установки фазового состояния фазовращателя,
i
min
N=N…N.
min
min
min
N выбирают из условия обеспечения длительности импульса установки фазового состояния, равной Δτ·(N-1), при котором вносимый фазовый сдвиг любого фазовращателя каналов ФАР не превысит 360°. Для каждой выборки вычисляется дискретное преобразование Фурье с числом элементов от N до N соответственно.
i
Из взятых выборок выбирают ту, для которой вносимый фазовращателем фазовый сдвиг элемента ФАР, соответствующий длительности импульса установки фазового состояния Δτ·(N-1), равен или максимально близок 360°. Признаком этой выборки является максимальное отношение гармоники с самой большой амплитудой, кроме нулевой, к сумме амплитуд остальных, кроме нулевой, гармоник для соответствующего ей дискретного преобразования Фурье. У остальных выборок это отношение будет меньше.
i
выбр
выбр
Комплексная амплитуда гармоники дискретного преобразования Фурье с самой большой амплитудой, кроме нулевой, для выбранной выборки соответствует комплексной амплитуде возбуждения канала ФАР, а крутизна перестроечной характеристики фазовращателя канала ФАР определяется по формуле: S=360°/(Δτ·N), где N - число элементов выбранного дискретного преобразования Фурье для данного канала.
i
Описанные вычисления поясняют графики, приведенные на фиг. 4, на которых приведены огибающие выборок с количеством элементов N=14…19 и соответствующие им дискретные преобразования Фурье, число на которых равно отношению амплитуды гармоники с самой большой амплитудой, кроме нулевой, к сумме амплитуд остальных, кроме нулевой, гармоник. На приведенных графиках гармоникой с самой большой амплитудой, кроме нулевой, является первая гармоника.
i
i
i
i
i
i
i
i
i
i
Из представленных графиков видно, что для выборки с N=16 вносимый фазовращателем фазовый сдвиг элемента ФАР, соответствующий длительности импульса установки фазового состояния Δτ·(N-1), равен или максимально близок 360°. Кроме того, этой выборке соответствует максимальное отношение первой гармоники к сумме остальных, начиная со второй, гармоник для соответствующего ей дискретного преобразования Фурье. Для остальных выборок с меньшим (N=14, N=15) и большим (N=17, N=18, N=19) по сравнению с выборкой N=16 это отношение меньше. По этому признаку из представленных выборок выбирают выборку с N=16. При этом крутизна перестроечной характеристики фазовращателя с приведенными выборками сигнала будет равна S=360°/(Δτ·16), а комплексная амплитуда возбуждения канала ФАР равна комплексной амплитуде первой гармоники дискретного преобразования Фурье для выборки N=16.
Описанный способ измерения комплексных амплитуд возбуждения каналов ФАР применим и для других типов ФАР, например отражательных и работающих на передачу. Варианты подключения контрольно-измерительной аппаратуры при проведении измерений параметров каналов ФАР для этих случаев приведены на фиг. 2 и 3.
Заявляемый способ измерения комплексных амплитуд возбуждения каналов ФАР, позволяет, кроме того, измерять крутизну перестроечной характеристики ферритовых фазовращателей, входящих в состав каналов ФАР, т.е. расширяет его функциональные возможности.
Для подтверждения эффективности работы указанного способа на предприятии были настроены ряд ФАР, имеющих количество каналов до 2500. При измерениях получена точность измерения вносимой фазовращателями каналов ФАР фазы не хуже 6°, соизмеримая с ней точность измерения крутизны перестроечной характеристики, получена приемлемая точность измерения амплитуды возбуждения каналов ФАР (не хуже 0,5 дБ). Все это подтверждает соответствие заявляемого способа критерию «промышленная применимость».