УСТРОЙСТВО КАЛИБРОВКИ МНОГОЛУЧЕВОЙ АНТЕННОЙ РЕШЕТКИ

Полезная модель относится к антенным решеткам, используемым в системах связи, например спутниковых и, в частности к устройствам калибровки, предназначенным для улучшения точностных характеристик спутниковых антенных решеток.
Точное наведение луча антенной решетки (АР) требует прецизионного управления фазой и амплитудой сигнала в ее каналах; необходимо безошибочное знание усиления и фазового набега в аналоговой части сверхвысокочастотной (СВЧ) электроники, входящей в состав приемных или передающих каналов. Для максимального приближения к реализации потенциальных возможностей технологии высокоточного формирования лучей характеристики аналоговых частей каналов должны обладать высокой идентичностью. В спутниковых системах связи параметры электронных компонентов изменяются с температурой и могут дрейфовать во времени. Учитывая неизбежность технологических погрешностей, возникающих в процессе монтажа приемопередающих модулей, а также неидентичность характеристик аналоговых элементов в процессе эксплуатации системы, необходимо предусмотреть блок коррекции амплитудно и фазочастотных характеристик каждого канала. Повышение точности калибровки АР для обнаружения и компенсации фазовых и амплитудных ошибок для каждого канала решетки является актуальной задачей.
Известна схема калибровки антенной решетки [1] в составе базовой станции. Калибровка на прием осуществляется путем подачи известных калибровочных сигналов в каждый антенный канал и измерения сигналов на выходе каждого антенного канала. Передатчик в этой схеме формирует сигнал, подаваемый в каждый канал решетки посредством калибровочной схемы, которая является пассивной распределительной схемой деления сформированного сигнала для его подачи на калибровочные входы каждого антенного канала. Затем каждый сигнал проходит через малошумящий усилитель своего канала, после чего в диаграммообразующей схеме формируется суммарный сигнал всех каналов. В диаграммообразующей схеме получаются корректирующие коэффициенты путем сравнения передаваемого и принятого сформированного сигналов так, чтобы обеспечить индивидуальную калибровку каждого канала антенной решетки. Корректирующие коэффициенты могут быть заданы в виде коэффициентов коррекции амплитуды и фазы.
Недостатком известного устройства является то, что калибровочные сигналы для каждого канала формируются из одного опорного сигнала в пассивной распределительной схеме. Очевидно, что обеспечить полную идентичность каналов этой схемы деления практически невозможно. При увеличении числа каналов в калибруемой АР это приведет к возрастанию амплитудных и особенно фазовых ошибок. Кроме того системы разводки СВЧ опорных колебаний являются громоздкими и имеют существенные размеры. Эти недостатки делают невозможным использование известного устройства в составе спутниковой АР.
Известно также устройство для калибровки интеллектуальной антенной решетки [2], содержащее соединительную структуру из питающих кабелей и контрольного приемопередатчика, образующих вместе калибровочную линию. Осуществляется предварительная калибровка этой соединительной структуры с помощью векторного анализатора цепей и запись ее результатов в режиме приема и передачи соответственно. Выполнение калибровки на прием интеллектуальной антенной решетки осуществляют посредством подстройки модуля коэффициента передачи каждого приемного канала к опорной линии и сохранение фазовой разницы между каждым приемным каналом и опорной линией в процессоре для последующей корректировки в рабочей полосе частот.
Недостатком этого устройства является то, что процедура предварительной калибровки опорной линии с помощью векторного анализатора цепей не автоматизирована и требует участия человека в процессе калибровки. Это делает невозможным использование указанного устройства для калибровки спутниковых АР, которая должна осуществляться непосредственно в процессе работы системы связи на борту спутника.
Известно также устройство калибровки фазированной решетки [3], выбранное в качестве прототипа, использующее коммутационный метод калибровки. Калибровка производится в многолучевой АР наведением одного из лучей на фиксированный источник калибровочного сигнала, что позволяет контролировать отдельные каналы. Во время калибровки одного канала решетки фазы всех других каналов, участвующих в формировании этой диаграммы направленности (ДН) фиксируются и соответствуют текущим значениям, необходимым для наведения луча на фиксированный источник калибровочного сигнала. Впоследствии фаза калибруемого канала с помощью управляемого фазовращателя изменяется по некоторому алгоритму на 180°, 90° и 270° относительно начального положения. Фазовая и амплитудная ошибки в этом канале связаны математически с мощностью, измеренной в четырех фазовых состояниях, процедура повторяется для каждого канала в решетке. Повторные измерения могут быть использованы для повышения отношения сигнала к шуму, и процедура может повторяться для достижения необходимой точности калибровки в пределах разрешения фазовращателя. Использование в известном устройстве цикличности четырех ортогональных фаз канала уменьшает время калибровки, а использование алгоритма максимального правдоподобия обеспечивает точность метода.
Недостатком этого устройства является то, что измерительная система прототипа содержит узкополосный фильтр и квадратурный детектор, выходное напряжение которого пропорционально мощности принятого радиосигнала, а изменение фазы калибруемого канала производится с помощью управляемых фазовращателей. Эти устройства являются аналоговыми и меняют свои амплитудные и фазовые характеристики со временем, а также под воздействием различных внешних условий таких, как температура окружающей среды, нестабильность источников напряжения питания и других. Это приводит к появлению случайных амплитудных и фазовых ошибок самой системы калибровки, которые снижают точность определения амплитудных и фазовых поправок, а, следовательно, и точность наведения лучей АР.
Технической задачей данной полезной модели является разработка устройства калибровки, обеспечивающего в составе многолучевой АР повышение точности наведения лучей, путем уменьшения амплитудных и фазовых ошибок в приемных (передающих) каналах АР.
Решение поставленной задачи достигается тем, что в каждый приемный канал многолучевой АР после аналоговой СВЧ части вводится аналого-цифровой преобразователь (АЦП), каждый цифровой выход которого из выходной шины соединен с одним из цифровых входов входной шины каждого цифрового сигнального процессора (ЦСП), на выходной шине которого цифровым способом формируется диаграмма направленности одного луча решетки, причем в цифровом сигнальном процессоре, формирующем калибруемый луч (ЦСПК) алгоритмическим путем организуется блок калибровки, содержащий блок расчета калибрационных поправок и блок расчета амплитудных и фазовых коэффициентов, при этом структура передающего канала формируется аналогично приемному заменой АЦП на цифроаналоговый преобразователь (ЦАП) с соответствующим изменением функций его входных и выходных шин, а синхронизация аналого-цифровых, цифроаналоговых преобразований и всех вычислений в ЦСП осуществляется от источника цифрового сигнала синхронизации.
Положительный эффект по сравнению с прототипом достигается тем, что калибровка осуществляется цифровым способом, когда изменение фазового состояния в калибруемом канале производится не управляемым фазовращателем, который в принципе отсутствует как в приемной, так и в передающей части АР, а в ЦСП, в данном примере (Фиг.) в ЦСПК, в котором программным путем организован расчетный блок калибровки. Фаза в калибруемом канале периодически меняется по тому же алгоритму, как и в прототипе, однако не аналоговым методом, а цифровым, например, путем использования для расчета мощности в ЦСПК выборок выходного сигнала калибруемого канала, взятых с интервалами времени, пропорциональными вводимым фазовым сдвигам. Поскольку в формировании каждого луча участвуют все каналы АР, то калибровка по одному лучу дает возможность корректировки амплитудных и фазовых коэффициентов всех каналов. После вычисления калибрационных поправок и поправок в амплитудные и фазовые коэффициенты всех каналов, эта информация в цифровом виде передается в соответствующие ЦСП, которые и учитывает эту поправку при формировании своей цифровой ДН, т.е. при формировании своего луча. Вновь введенные устройства выполняют все необходимые функции в составе каналов АР, при этом позволяют исключить ряд аналоговых устройств, таких как управляемые фазовращатели, узкополосный фильтр и квадратурный детектор для измерения мощности, вносящих неконтролируемые случайные амплитудные и фазовые ошибки в формирование ДН. Таким образом, повышается точность наведения каждого луча АР.
На чертеже представлена схема устройства калибровки в составе многолучевой АР, где обозначено: 1 - аналоговая СВЧ приемная (передающая) часть одного канала АР; 2 - аналого-цифровой преобразователь (АЦП) для приемного и цифроаналоговый преобразователь (ЦАП) для передающего канала АР соответственно; 3 - источник цифрового сигнала синхронизации; 4 - цифровой сигнальный процессор (ЦСП) формирования одного луча АР; 5 - цифровой сигнальный процессор, формирующий калибруемый луч (ЦСПК); 6 - блок калибровки в составе ЦСПК; 7 - блок расчета калибрационных поправок в составе блока калибровки; 8 - блок расчета амплитудных и фазовых коэффициентов в составе блока калибровки.
В каждом приемном канале многолучевой АР выход каждой аналоговой СВЧ части 1 соединен с соответствующим аналоговым входом АЦП 2, цифровой выход которого соединен с одним из входов входной шины каждого ЦСП 4, выходная шина которого является одним из выходов АР, где формируется ДН (луч), причем в ЦСПК 5, формирующем один из лучей АР, алгоритмическим путем организуется блок калибровки 6, содержащий блок расчета калибрационных поправок 7 и блок расчета амплитудных и фазовых коэффициентов 8. Каждый ЦСП 4 и ЦСПК 5 имеют во входной шине столько цифровых входов, сколько приемных (передающих) каналов в АР. Структура передающего канала формируется аналогично приемному заменой АЦП 2 на ЦАП 2 с соответствующим изменением функций его входных и выходных шин. Цифровой выход источника цифрового сигнала синхронизации 3 соединяется с соответствующими цифровыми входами тактовых сигналов АЦП (ЦАП) 2, ЦСП 4 каждого канала АР и ЦСПК 5.
Устройство калибровки многолучевой АР работает аналогично прототипу, используя коммутационный метод калибровки. Калибровка производится в многолучевой АР наведением одного из лучей на фиксированный источник калибровочного сигнала, при калибровке на прием, что позволяет контролировать отдельные каналы. Во время калибровки одного канала АР фазы всех других каналов, участвующих в формировании ДН (луча) фиксируются и соответствуют текущим значениям, необходимым для наведения луча на фиксированный источник калибровочного сигнала. Фаза калибруемого канала цифровым путем изменяется по некоторому алгоритму на 180°, 90° и 270° относительно начального положения. Фазовая и амплитудная ошибки в этом канале связаны математически с мощностью, рассчитанной также математическим путем в четырех фазовых состояниях [3], процедура повторяется для каждого канала в АР. Повторные измерения и расчеты используются для повышения отношения сигнала к шуму, и процедура может повторяться для достижения требуемой точности калибровки. Использование цикличности только четырех ортогональных фаз калибруемого канала уменьшает время калибровки, а использование алгоритма максимального правдоподобия обеспечивает точность метода. Изменение фазового состояния в калибруемом канале производится в ЦСПК 5, в котором программным путем организован расчетный блок калибровки 6. Фаза в калибруемом канале периодически меняется по тому же алгоритму, как и в прототипе, однако не аналоговым методом, а цифровым, например, путем использования для расчета оценки мощности в ЦСПК 5 выборок выходного сигнала с АЦП 2 калибруемого канала, взятых с интервалами времени, пропорциональными вводимым фазовым сдвигам. Поскольку в формировании каждого луча участвуют все каналы АР, то калибровка по одному лучу дает возможность корректировки амплитудных и фазовых коэффициентов всех каналов, последовательно осуществляя калибровку каждого, повторяя процедуру цифрового внесения фазового сдвига в калибруемый канал и расчета оценок выходной мощности в контролируемом луче. После вычисления в блоке расчета калибрационных поправок 7 в составе блока калибровки 6 и расчета в блоке 8 поправок в амплитудные и фазовые коэффициенты всех калибруемых каналов, эта информация в цифровом виде передается в соответствующие ЦСП 4 и ЦСПК 5, которые и учитывает эту поправку при формировании своей цифровой ДН, т.е. при формировании своего луча. Синхронизация всех процедур и вычислений осуществляется путем подачи общего тактирующего сигнала с источника цифрового сигнала синхронизации 3 на соответствующие цифровые входы тактовых сигналов АЦП (ЦАП) 2, ЦСП 4 каждого канала АР и ЦСПК 5. При калибровке на передачу фазовые сдвиги вводятся через ЦАП 2 в излучаемый АР сигнал в выбранном луче в цифровом виде с помощью ЦСП 5, а измерение и расчет оценок мощности производятся, например, на наземном терминале, куда и нацелен калибровочный луч, и передаются обратно, чтобы в блоке калибровки рассчитать амплитудные и фазовые поправочные коэффициенты и ввести их для повышения точности наведения лучей.
Вновь введенные устройства являются типовыми элементами цифровых АР, что позволяет без проблем воспроизвести предложенное устройство калибровки в полном объеме.
Источники информации
1. Патент RU 2147753 С1 от 01.06.1995. Калибровка антенной решетки.
2. Патент RU 2265263 С1 от 26.06.2000. Способ и устройство для калибровки решетки интеллектуальной антенны.
3. Sorace R. Phased array Calibration. IEEE Transactions on antennas and propagation. V. 49. №4. April 2001. P. 517-525.