СПОСОБ ВСТРОЕННОЙ КАЛИБРОВКИ АКТИВНОЙ ФАЗИРОВАННОЙ АНТЕННОЙ РЕШЕТКИ
METHOD FOR BUILT-IN CALIBRATION OF ACTIVE PHASED ANTENNA ARRAY

Основные свойства АФАР, такие как формирование диаграммы направленности заданной формы, управление ее положением в пространстве, а также энергетические характеристики АФАР напрямую связаны с распределением амплитуд и фаз электромагнитных колебаний по узлам антенной решетки (излучателям), составляющим апертуру АФАР. Например, коэффициент усиления антенной решетки, входящей в определение энергетических характеристик АФАР, зависит от ошибок амплитудно-фазового распределения (от степени его не соответствия заданному) следующим образом:
0
где G - коэффициент усиления решетки с заданным (идеальным) амплитудно-фазовым распределением; ζ - среднеквадратическое значение амплитудно-фазовых ошибок [Микроэлектронные устройства СВЧ. Под. Ред. Г.И. Веселова. - М.: Высшая школа. 1988 - 280 с.].
<mrow><msubsup><mi>σ</mi><mn>0</mn><mn>2</mn></msubsup></mrow>
Также, в частности, для линейной эквидестантной антенной решетки дисперсия установки в заданное направление главного максимума диаграммы направленности (ДН) зависит от дисперсий фазовых ошибок в элементах антенной решетки
так [Шифрин Я.С. Вопросы статистической теории антенн. - М.: Советское радио. 1970. - 384 с.]:
где N - число элементов антенной решетки, N>>1, D - размер апертуры, λ - длина волны.
Свойства радиотехнических систем по-разному зависят от характеристик АФАР. Наиболее чувствительными к ним являются системы дистанционного зондирования Земли, построенные на основе радиолокаторов с синтезированной апертурой и относящиеся к системам радиовидения. Для качественного получения радиолокационного изображения необходимо достоверно знать параметры излучения и приема АФАР, измеренные не только однажды, например при изготовлении, но и в процессе функционирования АФАР в составе системы. В первую очередь это связано с тем, что каждый канал АФАР состоит из многих функциональных элементов (усилителей, фазовращателей, аттенюаторов, коммутаторов, делителей и т.д.), которым свойственны изменения своих параметров с течением времени и под действием дестабилизирующих факторов (температуры, давления, механических нагрузок, нестабильность питающих напряжений и т.д.). Интегральный результат таких воздействий проявляется в изменении коэффициента передачи канала и его фазовой длины.
Таким образом, встает задача контролировать и измерять амплитуду и фазу каждого канала АФАР, причем в процессе штатной эксплуатации АФАР.
p
Известен модуляционный способ измерения [Патент 3378846 США. НКИ 343-100)] комплексных коэффициентов передачи каналов фазированной антенной решетки, в котором контрольный сигнал с генератора излучается вспомогательной антенной, расположенной в дальней зоне, и поступает в каналы решетки. На выходе фазированной антенной решетки сигналы со всех каналов суммируются, образуя опорный сигнал. В измеряемом канале происходит модуляция фазы контрольного сигнала путем переключения разрядов фазовращателя в положение 0° и 180°, при этом фаза канала фиксируется в одном из L=2 состояний (р - число разрядов фазовращателя). Измеряя на выходе антенной решетки амплитуду и фазу суммы сигналов опорного и измеряемого каналов, получают комплексный коэффициент передачи последнего. Проведя такие измерения для всех N каналов фазированной антенной решетки, в каждом из L положений фазовращателя получают массив комплексных коэффициентов передачи каналов решетки.
Недостатком способа является необходимость наличия дальней зоны, вынесенной вспомогательной антенны, а также усложнение аппаратуры калибровки за счет необходимости организации опорного канала в фазовых измерениях и низкая точность.
Известен способ калибровки активной фазированной антенной решетки [Патент 2467346 (Россия), МКИ G01S 7/40], в котором контрольный сигнал подается на вход приемной или передающей части канала АФАР, поочередно для всех каналов. Измеряется сдвиг фазы между одним опорным каналом и измеряемым, а также разницы в амплитудах опорного канала и измеряемого. При этом сначала калибруется приемная часть каналов АФАР, а только затем передающая часть.
Недостатками способа является усложнение аппаратуры измерения параметров каналов за счет необходимости наличия опорного сигнала в фазовом детекторе и необходимость соблюдения строгой последовательности в измерениях комплексных коэффициентов передачи приемной и передающей частей каналов АФАР, что ограничивает область применения данного способа. Недостатком также служит то, что во время измерений работают только измеряемый и опорный каналы АФАР, а остальные отключены. Это меняет условия работы измеряемого канала относительно его штанных условий в составе АФАР, когда одновременно работают все каналы. Данное обстоятельство снижает точность и достоверность результатов измерений.
p
Известен способ калибровки активной фазированной антенной решетки [Россельс Н.А., Шишлов А.В., Шитиков A.M. Активные фазированные антенные решетки - некоторые вопросы настройки и обслуживания// Радиотехника. 2009, №4], выбранный в качестве прототипа. Для определения комплексных коэффициентов передачи каналов АФАР в прототипе сигнал с генератора контрольного сигнала через делитель подают на вход каждого передающего канала, с выхода каждого передающего канала ответвляется часть прошедшего сигнала и суммируется в сумматоре контрольного сигнала. Затем этот же сигнал через другой делитель контрольного сигнала поступает на вход каждого приемного канала АФАР. С выхода каждого приемного канала сигнал суммируется еще в одном сумматоре и поступает на вход детектора контрольного сигнала. При этом сигнал на входе детектора представляет собой суперпозицию опорного сигнала, в роли которого выступает суммарный сигнал от (N-1) каналов АФАР, и одного измеряемого канала, причем его фазовращатель поочередно переключается в каждое из L=2 (р - число разрядов фазовращателя) состояний. Измеряя после детектора уровень сигнала при каждом состоянии фазовращателя, получают массив из L величин, на основе которого далее определяется коэффициент передачи измеряемого канала и начальный фазовый сдвиг относительно опорного канала.
Недостатками прототипа являются:
1) Неоднозначность измерений комплексных коэффициентов передачи каналов АФАР, т.к. согласно описанию схемы, предложенной в прототипе, контрольный сигнал последовательно проходит сначала через передающие каналы, а затем - через приемные. Поэтому измеренные значения коэффициента передачи и фазы передающего канала включают в себя соответственно коэффициент передачи и фазу приемного канала. И наоборот, измеренные значения коэффициента передачи и фазы приемного канала включают в себя коэффициент передачи и фазу передающего канала;
2) Ограниченная область применения, обусловленная необходимостью работы одновременно и передающих и приемных каналов АФАР, что не всегда допустимо, например, из-за ограничений на электропотребление АФАР или в случае работы на одной частоте во время приема и передачи;
3) Использование двух делителей/сумматоров контрольного сигнала, что увеличивает массу, габариты и стоимость аппаратуры калибровки;
4) Снижается точность измерений комплексного коэффициента передачи с ростом числа каналов АФАР. В этом случае амплитуда суммарного сигнала от (N-1) каналов АФАР, являющегося опорным, становиться столь большой, что ее изменения (амплитуды) при переключении фазы измеряемого канала незаметны на фоне шумов детектора. Другими словами коэффициент “амплитудной модуляции” несущей опорного сигнала измеряемым становиться много меньше 1.
Технический результат предлагаемого изобретения заключается в повышении точности измерения комплексных коэффициентов передачи каналов АФАР, однозначности и расширении области применения.
p
Это достигается тем, при встроенной калибровке приемопередающих каналов АФАР производят генерацию контрольного сигнала СВЧ, распределение контрольного сигнала по входам каждого передающего и приемного каналов АФАР, суммирование контрольного сигнала, прошедшего через каналы АФАР, и его последующее амплитудное детектирование. Далее осуществляется измерение уровня сигнала после детектора, при переключении фазовращателя измеряемого канала в каждое из L=2 (р - число разрядов фазовращателя) состояний. При этом используется один общий делитель/сумматор контрольного сигнала, калибровка приемных и передающих каналов АФАР производится отдельно и не зависимо друг от друга, а фазовращатели в этих каналах переключаются (за исключением измеряемого и одного опорного каналов) синхронно в состояния 0° или 180° согласно М-последовательности одной для них всех. Кроме того, вводятся в тракт контрольного сигнала управляемые коммутаторы и полосовой фильтр перед детектором. Предлагаемый в изобретении способ встроенной калибровки приемных и передающих каналов АФАР имеет следующие отличия по сравнению с прототипом:
- измерение комплексных коэффициентов передачи приемных и передающих каналов производится отдельно и независимо друг от друга, а в прототипе согласно приведенной схеме для измерения передающих каналов надо включать приемные каналы и, соответственно, для измерения параметров приемных каналов надо включать передающие каналы;
- используется один общий для приемных и передающих каналов делитель/сумматор контрольного сигнала, а в прототипе использованы два отдельных делителя/сумматора контрольного сигнала;
- в прототипе фазовращатели всех каналов АФАР, за исключением измеряемого канала, находятся в фиксированном положении, а в предлагаемом способе фазовращатели всех каналов, кроме измеряемого и опорного, переключаются в состояния 0° или 180° по закону единой для них М-последовательности, что позволяет увеличить отношение/помеха на входе детектора и тем самым повысить точность измерений;
- введены в тракт калибровочного сигнала управляемые коммутаторы, что позволяет измерять комплексные коэффициенты передачи приемных каналов при отключенных передающих и наоборот - измерять комплексные коэффициенты передачи передающих каналов при отключенных приемных, а также использовать один общий делитель/сумматор контрольного сигнала;
- в качестве опорного сигнала используется сигнал с одного канала - опорного, а в прототипе в качестве опорного сигнала выступает суммарный сигнал со всех каналов АФАР за исключением измеряемого, что приводил к уменьшению размаха вариаций от суммы сигналов с опорного и измеряемого каналов;
- в тракт калибровочного сигнала введен фильтр перед детектором, ограничивающий шумовую полосу и ослабляющий влияние мешающих сигналов от работающих каналов АФАР на полезные сигналы опорного и измеряемого каналов.
На фиг.1 изображена структурная схема устройства, реализующего предлагаемый способ калибровки АФАР. Вход генератора контрольного сигнала 1 соединен с первым контактом коммутатора 2, второй контакт коммутатора 2 соединен с третьим контактом коммутатора 3, третий контакт коммутатора 2 соединен с третьим контактом коммутатора 9, второй контакт коммутатора 3 соединен со вторым контактом коммутатора 10, второй контакт коммутатора 9 соединен с третьим контактом коммутатора 10. Первый контакт коммутатора 3 соединен со вторым контактом направленного ответвителя 4. Штатный рабочий сигнал на АФАР подается на первый контакт направленного ответвителя. Третий контакт направленного ответвителя 4 соединен с N-канальным делителем/сумматором 5 штатного сигнала, выходы которого соединены с каждым приемопередающим каналом 6 АФАР. Между приемопередающими каналами и излучателями 14 расположены N направленных ответвителя 7. Один его вход соединен с приемопередающим каналом, другой - с излучателем, а третий с входами N - канального делителя/сумматора контрольного сигнала 8. Общий выход делителя/сумматора 8 соединен с контактом 1 коммутатора 9.
Первый контакт коммутатора 10 соединен с входом полосового фильтра 11. Выход фильтра соединен с входом амплитудного детектора 12. Входы управления коммутаторов 2, 3, 9, 10 и входы управления приемопередающих каналов АФАР 6 соединены с блоком управления 13. Стрелками показаны направления распространения сигналов СВЧ при калибровке.
Калибровка АФАР по предлагаемому способу производится следующим образом. Во время калибровки передающих каналов АФАР контрольный сигнал с частотой из диапазона рабочих частот АФАР с генератора 1 поступает на коммутатор 2, первый контакт которого по команде с блока управления 13 соединяется со вторым его контактом. От второго контакта коммутатора 2 сигнал поступает на коммутатор 3, третий контакт которого по команде с блока управления соединяется с первым его контактом. С первого контакта коммутатора 3 сигнал через направленный ответвитель 4 поступает на общий вход делителя/сумматора 5, где делится между N каналами АФАР. С каждого канала делителя/сумматора 5 сигнал поступает на соответствующий передающий канал приемопередающего модуля 6 АФАР. Приемные каналы отключены, работают только передающие. При этом в качестве опорного канала выбирается любой передающий канал, например первый. Фазовращатель этого канала может занимать любое фиксированное положение, т.к. в процессе всей калибровки АФАР опорный канал не меняется и его начальная фаза принимается за начало отсчета фаз остальных каналов. Коэффициент передачи опорного канала также остается фиксированным и коэффициенты передачи остальных каналов АФАР определяются относительно опорного.
р
В текущем измеряемом передающем канале по командам с блока управления фазовращатель начинает последовательно занимать каждое из L=2 положений. В это время все остальные (N-2) передающие каналы АФАР по команде с блока управления начинают синхронно переключатся в положения 0° или 180° согласно закону следования двоичных символов в М-последовательности (например, символ “0” М-последовательности соответствует разряду фазовращателя 0°, а символ “1” соответствует разряду 180°). Естественно, что кроме фазовращателей в передающих каналах работают все функциональные части: усилители мощности, ключи приема-передачи, аттенюаторы и т.д.
Часть контрольного сигнала, прошедшего через измеряемый передающий канал ,ответвляется направленным ответвителем 7 и суммируется с такими же сигналами от всех остальных каналов АФАР в делителе/сумматоре 8. Суммарный сигнал поступает на коммутатор 9, первый контакт которого по команде с блока управления соединяется со вторым его контактом. С коммутатора 9 сигнал поступает на третий контакт коммутатора 10, по команде с блока управления третий контакт коммутатора 10 соединяется с первым его контактом. С коммутатора 10 сигнал поступает на вход полосового фильтра 11. Сигнал на входе фильтра 11 представляет собой векторную сумму трех видов сигналов: сигнала с опорного канала, сигнала измеряемого канала и сигналов с оставшихся (N-2) передающих каналов АФАР.
Результат суммы опорного и измеряемого сигналов, при переключении фазовращателя в измеряемом передающем канале, описывается выражением [Бубнов Г.Г. и др. Коммутационный метод измерения характеристик ФАР. М.: Радио и связь. 1988]:
где
<mrow><mrow><mo>|</mo><mrow><msub><mi>S</mi><mi>Σ</mi></msub></mrow><mo>|</mo></mrow></mrow>
- суммарный сигнал от опорного и измеряемого n-го канала;
<mrow><mrow><mo>|</mo><mrow><msub><mi>S</mi><mi>O</mi></msub></mrow><mo>|</mo></mrow></mrow>
- сигнал опорного канала;
<mrow><mrow><mo>|</mo><mrow><msub><mi>S</mi><mrow><mi>n</mi><mi>ℓ</mi></mrow></msub></mrow><mo>|</mo></mrow></mrow>
- сигнал от текущего измеряемого n-го канала при ℓ-том состоянии фазовращателя;
nℓ
cosφ - сдвиг фазы между сигналом опорного канала и сигналом измеряемого канала при ℓ-том состоянии его фазовращателя;
<mi>ℓ</mi>
=0, 1,…, L-1;
p
L=2, р - число разрядов фазовращателя;
n=1,…, N-1, N число каналов АФАР.
Из выражения (1) видно, что в процессе переключения фазовращателя измеряемого канала происходит изменение мощности суммарного сигнала по закону, близкому к косинусоиде или, другими словами, происходит как бы амплитудная модуляция сигнала опорного канала модулирующим сигналом измеряемого канала с периодом, равным времени переключения его фазовращателя во все состояния от 0° до 360°. Такая же картина наблюдается при биениях двух гармонических колебаний.
<mrow><mi>ω</mi><mo>=</mo><mfrac><mrow><mi>d</mi><mi>ϕ</mi></mrow><mrow><mi>d</mi><mi>t</mi></mrow></mfrac><mo>,</mo></mrow>
Работа генератора контрольного сигнала на монохроматическом сигнале формирует спектр суммарного сигнала (от опорного и измеряемого каналов), состоящий в общем случае из двух гармонических колебаний с близкими частотами: с частотой контрольного сигнала и частотой сигнала измеряемого канала. Так как частота и фаза связаны соотношением
то изменение фазы вызывает изменение частоты. Естественно ожидать весьма малое различие между этими частотами, фактически это означает, что в спектре будет присутствовать одно колебание, меняющееся по уровню при смене состояния фазовращателя. Это связано с тем, что скорость переключения разрядов фазовращателя измеряемого канала несоизмерима мала по сравнению с частотой несущего СВЧ-колебания контрольного сигнала. К этому следует добавить тот факт, что пошаговый прирост фазы (т.е. производная фазы) в измеряемом канале во время переключения весьма мал и равен младшему разряду фазовращателя. И в случае применения шестиразрядного фазовращателя составляет 5,625°.
Таким образом, в момент измерения уровня сигнала с детектора 12 на его вход поступает гармоническое колебание одной частоты, уровень которого несет информацию.
Другая группа сигналов, поступающая на вход детектора, - это сигналы от (N-2) работающих каналов АФАР. Уровень сигнала с каждого из этих каналов по величине такой же, как и сигнал измеряемого канала, т.к. все каналы в АФАР, во-первых, по определению должны быть одинаковы (чтобы исключить амплитудные ошибки) и, во-вторых, работать в одинаковых условиях (с одинаковыми уровнями усиливаемых сигналов), по крайней мере, во время калибровки. Последнее обстоятельство повышает точность и достоверность измерений. Потому что, когда работает только один из передающих каналов АФАР (измеряемый), то его тепловые режимы отличаются от случая, когда включены все передающие каналы АФАР, которые также выделяют тепло. Кроме того, при работе одного канала нагрузка по цепям питания АФАР очевидно совершенно другая, чем при одновременной работе всех передающих каналов.
Таким образом, в работе только одного канала на передачу отсутствуют все факторы взаимного влияния на него со стороны остальных передающих каналов АФАР. Поэтому условие одновременной работы всех передающих каналов в АФАР в процессе калибровки позволяет приблизить условия измерений к реальным условиям работы каналов АФАР.
С другой стороны, одновременное присутствие на входе детектора сигналов от (N-2) работающих каналов АФАР и двух сигналов от измеряемого и опорного каналов делают практически невозможным выделение вариаций суммы двух последних.
<mrow><msup><mrow><mrow><mo>|</mo><mi>S</mi><mo>|</mo></mrow></mrow><mn>2</mn></msup><mrow><mo>(</mo><mrow><mi>N</mi><mo>−</mo><mn>2</mn></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>,</mo></mrow>
<mrow><mrow><mo>|</mo><mi>S</mi><mo>|</mo></mrow></mrow>
<mrow><mrow><mo>|</mo><mi>S</mi><mo>|</mo></mrow><mo>=</mo><mrow><mo>|</mo><mrow><msub><mi>S</mi><mi>j</mi></msub></mrow><mo>|</mo></mrow><mo>,</mo></mrow>
ℓ
о
ℓ
о
Действительно, пусть сигналы с (N-2) каналов имеют случайную начальную фазу, равномерно распределенную от 0° до 360°, при установки их фазовращателей в нулевое положение. Данное предположение вполне естественно, т.к. параметры усилителей мощности, фазовращателей и других функциональных узлов передающего канала имеют технологические разбросы и не нормируются по начальной фазе в процессе изготовления и монтажа. Поэтому гармонические сигналы от (N-2) каналов АФАР будут суммироваться в тракте без учета интерференционного множителя, образуя при этом уровень мощности сигнала на входе детектора, равный
где
- амплитуда сигнала на выходе одного из (N-2) каналов,
j=1…, N, j≠ℓ, j≠О (S и S сигналы измеряемого и опорного каналов соответственно). Очевидно, что эти (N-2) колебания, назовем их групповым сигналом, будут помехами для полезных сигналов S и S.
Из теории приема сигналов известен факт подавления в амплитудном детекторе полезного сигнала помехой в случае превышения последней над первой [Радиоприемные устройства. Под. ред. В.И.Сифорова. - М.: Советское радио, 1974].
<mrow><mrow><mo>|</mo><mi>S</mi><mo>|</mo></mrow><mo>=</mo><mrow><mo>|</mo><mrow><msub><mi>S</mi><mrow><mi>n</mi><mi>ℓ</mi></mrow></msub></mrow><mo>|</mo></mrow><mo>,</mo></mrow>
p
Определим уровни действующих сигналов. Как уже отмечалось, уровень сигнала с каждого канала АФАР (кроме опорного) при калибровке должен быть одинаковым с точностью до технологического разброса, который, кстати, и должен быть найден в итоге. Исходя из этого, уровень гармонического сигнала с измеряемого n-го канала АФАР также равен
n=1,…, N, ℓ=0, 1,…, L-1, L=2, р - число разрядов фазовращателя.
<mrow><mrow><mo>|</mo><mrow><msub><mi>S</mi><mi>o</mi></msub></mrow><mo>|</mo></mrow><mo>=</mo><mrow><mo>|</mo><mrow><msub><mi>S</mi><mrow><mi>n</mi><mi>ℓ</mi></mrow></msub></mrow><mo>|</mo></mrow><mo>,</mo></mrow>
<mrow><mrow><mo>|</mo><mrow><msub><mi>S</mi><mi>o</mi></msub></mrow><mo>|</mo></mrow><mo>=</mo><mrow><mo>|</mo><mrow><mn>2</mn><msub><mi>S</mi><mrow><mi>n</mi><mi>ℓ</mi></mrow></msub></mrow><mo>|</mo></mrow><mo>=</mo><mrow><mo>|</mo><mrow><mn>2</mn><mi>S</mi></mrow><mo>|</mo></mrow><mo>.</mo></mrow>
Для однозначности определения комплексного коэффициента передачи измеряемого канала необходимо заранее соблюсти соотношение между сигналами опорного канала и остальными измеряемыми:
для всех n и ℓ [Бубнов Г.Г. и др. Коммутационный метод измерения характеристик ФАР. М.: Радио и связь. 1988]. Положим для определенности
Минимальный уровень мощности полезного сигнала на входе амплитудного детектора, как следует из (1), может составлять
<mrow><msup><mrow><mrow><mo>|</mo><mi>S</mi><mo>|</mo></mrow></mrow><mn>2</mn></msup><mrow><mo>(</mo><mrow><mi>N</mi><mo>−</mo><mn>2</mn></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>.</mo></mrow>
а уровень мощности помехи
Запишем (2) в новых обозначениях
<mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><mfrac><mrow><mi>N</mi><mo>−</mo><mn>2</mn></mrow><mn>3</mn></mfrac></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow>
Из приведенных соотношений видно, что помеха от (N-2) работающих каналов АФАР будет превышать полезный сигнал, в его минимальный момент, в
раз.
<mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><mfrac><mrow><mi>N</mi><mo>−</mo><mn>2</mn></mrow><mn>7</mn></mfrac></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow>
Максимальный уровень мощности полезного сигнала соответственно будет равен , при этом превышение помехи составит
раз.
Из последних выражений следует, что при числе каналов АФАР в десятки-сотни, не говоря уже о тысячах, единиц гарантируется подавление в амплитудном детекторе помехой полезного сигнала.
Таким образом, имеется противоречие: с одной стороны необходимо, чтобы одновременно работали все каналы решетки, с другой - невозможно выделить достоверно вариации суммарного сигнала (от опорного и измеряемого каналов) на фоне помех от остальных работающих каналов.
В предлагаемом изобретении указанное противоречие разрешается следующим образом. Фазовращатели, не участвующих в измерениях (N-2) каналов АФАР, синхронно переключаются в положения 0° или 180° согласно структуре М-последовательности: положению фазовращателя 0° соответствует символ "0" последовательности, положению 180° - символ "1" (или наоборот). То есть происходит фазовая манипуляция несущей СВЧ-сигнала в этих каналах.
2
Σ
Σ
<mrow><msup><mrow><mrow><mo>|</mo><mi>S</mi><mo>|</mo></mrow></mrow><mn>2</mn></msup><mrow><mo>(</mo><mrow><mi>N</mi><mo>−</mo><mn>2</mn></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow>
Известно, что в случае бинарной фазовой манипуляции гармонического сигнала по закону псевдослучайной М-последовательности. происходит подавление несущей в спектре выходного сигнала [Теоретические основы радиолокации. Под. ред. Ширмана Я.Д. М.: Сов. радио. 1970. стр.560; Н.Т. Петрович. М.К. Размахин. Системы связи с шумоподобными сигналами. - М.: Советское радио. 1969. - 232 с.]. Глубина подавления достигает значения m раз от уровня немодулированной несущей. Следовательно, в суммарном спектре сигналов, поступающих на вход детектора, на месте подавленной несущей частоты группового сигнала от (N-2) каналов будет располагаться спектральная линия полезного сигнала (суммарного сигнала S). Также, кроме подавления непосредственно самого группового сигнала от (N-2) работающих каналов на частоте полезного сигнала S, в суммарном спектре происходит уменьшение абсолютного уровня всех его частотных компонент в m раз (и ниже для высших гармоник) относительно величины группового сигнала
, где m - число элементов М - последовательности (фиг.2). Выбирая m, можно сделать максимальный уровень соседних гармоник и остатка несущей достаточно низким.
Σ
Σ
Однако наличие на входе детектора дополнительных мешающих гармоник, которые образовались в результате расширения спектра сигнала от (N-2) каналов, хотя бы они и были невелики, все же ухудшают входное отношение сигнал/помеха. Поэтому для исключения помеховых сигналов в предлагаемом изобретении предлагается установить на входе детектора полосовой фильтр. Он будет подавлять все помеховые сигналы за пределами своей полосы пропускания. Для этого необходимо, что бы в полосу пропускания попадала только частота полезного сигнала S (расположенная на месте подавленной несущей группового сигнала). Бесконечно узкую полосу пропускания фильтра, равную ширине частотного интервала гармонического колебания сигнала S, сделать невозможно и близко стоящие частотные составляющие спектра фазоманипулированного группового сигнала от (N-2) каналов все же будут попадать в полосу пропускания фильтра.
T
m
В связи с этим в изобретении предлагается наряду c фильтром и фазовой манипуляцией сигналов в каналах использовать также еще одно свойство спектра фазоманипулированного сигнала. Так, если в качестве модулирующего сигнала используется М-последовательность, то расстояние по частоте между соседними спектральными составляющими в спектре модулированного колебания будет равно , где f - частота следования двоичных элементов М-последовательности или тактовая частота, (2-1) - число элементов в последовательности или ее длина [Диксон Р.К. Широкополосные системы. М.: Связь. 1979].
Σ
Следовательно, ближайшие частотные составляющие спектра будут располагаться относительно частоты полезного сигнала S не ближе, чем  по обе стороны от него.
т
m
Соответствующим образом, выбирая значения величин f и (2-1), можно увеличить частотный зазор между полезным сигналом и ближайшими помеховыми составляющими, с целью их выведения за пределы полосы пропускания фильтра. В этом случае полоса пропускания фильтра уже может быть вполне реализуемой (фиг.3).
<mrow><msup><mrow><mrow><mo>|</mo><mrow><msub><mi>S</mi><mi>Σ</mi></msub></mrow><mo>|</mo></mrow></mrow><mn>2</mn></msup></mrow>
Таким образом, предлагаемая в патенте синхронная модуляция фазы контрольного сигнала по закону М-последовательности в (N-2) каналах АФАР (кроме опорного и измеряемого) и частотная фильтрация образовавшегося спектра перед детектором позволяют существенно повысить входное отношение сигнал/помеха и произвести амплитудное детектирование вариации полезного сигнала
с высоким качеством и достоверностью. Учитывая при этом факт одновременной работы всех передающих каналов в АФАР, получаем возможность проведения точной калибровки АФАР.
n
n
На выходе фильтра происходит фиксация уровней продетектированного сигнала в каждом соответствующем L положении фазовращателя измеряемого канала. Далее, по формулам определяются коэффициент передачи К измеряемого канала и его фаза φ относительно опорного канала [Бондарик А.В., Шитиков А.М., Шубов А.Г. Опыт использования в многоканальных фазированных антенных решетках поэлементных методов калибровки без применения фазометрической аппаратуры. Антенны, выпуск 1 (92), 2005]:
Коэффициенты А, В и С рассчитываются следующим образом
,
p
где L=2 (р - число разрядов фазовращателя);
- шаг переключения фазы (младший разряд фазовращателя);
ℓ
Р - последовательность измеренных значений сигнала на выходе детектора (ℓ=0,1,…, L-1).
Проведя подобные измерения и вычисления для всех n каналов АФАР (n=1,…, N-1), получаем массив комплексных коэффициентов передачи передающих каналов АФАР, который затем может использоваться в алгоритмах формирования требуемого амплитудно-фазового распределения или для выравнивания амплитуд и фаз по апертуре АФАР. На этом завершается процесс калибровки передающей части АФАР.
Аналогичным образом осуществляется калибровка приемных каналов. Только теперь по команде с блока управления 13 происходит перекоммутация коммутаторов 2, 3, 9 и 10, при которой первый контакт коммутатора 2 соединяется с третьим его контактом, первый контакт коммутатора 3 соединяется с его вторым контактом, первый контакт коммутатора 9 соединяется с его третьим контактом, первый контакт коммутатора 10 соединяется с его вторым контактом.
p
Далее контрольный сигнал с генератора 1 через коммутаторы 2, 9, делитель/сумматор 8 и направленные ответвители 7 поступает на вход каждого приемного канала. После, пройдя через приемный канал приемопередающего модуля 6, контрольный сигнал суммируется в делителе/сумматоре 5, откуда он поступает через направленный ответвитель 4 и коммутаторы 3, 10 на вход фильтра 11. С выхода фильтра контрольный сигнал, прошедший через всю приемную часть АФАР, детектируется в детекторе 12. При этом фазовращатель измеряемого приемного канала переключается последовательно в каждое из L=2 состояний. Передающие каналы АФАР выключены и работают только все приемные каналы.
Вычисление комплексных коэффициентов передачи приемных каналов, на основе измеренных значений продетектированного сигнала, осуществляется по приведенным выше формулам (3) и (4).
Все описанные выше энергетические, спектральные и иные соотношения, имеющие место во время калибровки передающих каналов, остаются справедливы и для приемных каналов АФАР. С разницей лишь в абсолютных уровнях сигналов на входе детектора. Поэтому динамический диапазон детектора должен охватывать уровни входных сигналов как при работе передающих каналов, так и приемных.
Данное изобретение позволяет расширить область применения калибровки приемных и передающих каналов АФАР, а также повысить точность и достоверность измерений их комплексных коэффициентов передачи.