Способ определения диаграммы направленности активной фазированной антенной решетки
METHOD OF DETERMINING THE DIAGRAMS OF THE DIRECTION OF THE ACTIVE PHASED ANTENNA ARRAY

Изобретение относится к области антенной техники, в частности, к способам определения диаграммы направленности активных фазированных антенных решеток в процессе их настройки и исследований.
Известен способ измерения диаграммы направленности передающей фазированной антенной решетки, закрепленной на опорно-поворотном устройстве, состоящий в том, что измерительную приемную антенну размещают в дальней зоне, сигнал, излучаемый передающей фазированной антенной решеткой и принимаемый измерительной антенной, записывают в процессе вращения опорно-поворотного устройства. Строят диаграммы направленности фазированной антенной решетки путем определения зависимости амплитуды принимаемого сигнала от угла поворота опорно-поворотного устройства [1 - Методы измерения 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].
Известен способ измерения диаграммы направленности передающей фазированной антенной решетки, закрепленной неподвижно относительно измерительной антенны, состоящий в том, что измерительную приемную антенну размещают в дальней зоне, сигнал, излучаемый передающей фазированной антенной решеткой и принимаемый измерительной антенной, записывают в процессе фазирования фазированной антенной решетки в заданном направлении. Строят диаграммы направленности фазированной антенной решетки путем определения зависимости амплитуды принимаемого сигнала от угла фазирования фазированной антенной решетки [1, с. 247-266].
Если передающая фазированная антенная решетка является активной, и ее суммарная мощность превышает установленные требования электромагнитной совместимости и экологии к допустимым уровням излучения, то данные способы применяться не могут, так как снижение уровня излучаемой мощности на входе активных модулей приводит к нелинейным изменениям их комплексных коэффициентов передачи. Ограничение на возможность применения является недостатком указанных способов.
Аналогичным недостатком обладает и способ измерения диаграммы направленности передающей фазированной антенной решетки в ближней зоне, состоящий в том, что испытуемую антенну помещают на некотором допустимом расстоянии перед специальным устройством - коллиматором, обеспечивающим преобразование сферической волны в плоскую, и осуществляют прием преобразованного сигнала при механическом повороте испытуемой антенны или при электронном сканировании испытуемой фазированной антенной решетки. В качестве коллиматора может выступать зеркальная антенна или специальный сканер с измерителем напряженности электромагнитного поля [2 - Патент SU 1555686 А1. Компактный полигон / А.Л. Айзенберг, И.Е. Гольберг, Е.А. Теленков, В.Н. Бабаев. М. кл. G01R 29/10. Опубл. 07.04.1990].
Применительно к измерению диаграммы направленности активной передающей фазированной антенной решетки недостатком известных способов измерения диаграммы направленности в ближней зоне является необходимость ограничения излучаемой мощности активной фазированной антенной решетки и ограниченные размеры коллиматоров.
Способ измерения диаграммы направленности антенных систем как в режиме приема, так и в режиме излучения реализован в виде компактного полигона для измерения характеристик различных антенных систем, содержащего тестируемую антенну, блок коммутации, блок управления и обработки, блок облучателей, анализатор сигналов, индикатор, опорно-поворотное устройство, коллиматорное зеркало, первый и второй направленные ответвители и устройство поворота облучателей [3 - Патент RU 2421744. Компактный полигон для измерения характеристик различных антенных систем / А.И. Синани, И.Е. Макушкин, А.Е. Дорофеев, А.И. Лев, В.А. Митин. МПК G01R 29/10. - Опубл. 20.06.2011].
Недостатком способа является то, что излучение высокой мощности в условиях ограниченного пространства безэховой камеры требует применения специальных устройств-поглотителей мощности, а реализация предложенной совокупности блоков и устройств представляет большие сложности.
На решение указанной проблемы направлен способ измерения характеристик диаграммы направленности активной/пассивной фазированной антенной решетки, обеспечивающий исключение необходимости открытого излучения [4 - Патент RU 2526891. Способ измерения характеристик диаграммы направленности активной/пассивной фазированной антенной решетки / П.А. Агеев, Т.А. Ломовская, О.С. Алексеев, А.И. Синани, Г.Ф. Мосейчук, И.М. Малай. МПК G01R 29/10. - Опубл. 27.08.2014]. Он состоит в том, что осуществляют формирование сигнала на входе приемного или передающего канала и обработку принятых сигналов. Обработку принятых сигналов производят путем измерения амплитуды и фазы коэффициента передачи каждого приемного и передающего канала активной/пассивной фазированной антенной решетки и фиксации результатов измерения. Далее осуществляют преобразование коэффициента передачи в амплитуду сигнала, определяют погрешности измерения амплитуды и фазы сигнала, определяют N амплитудно-фазовых распределений с учетом погрешностей измерения, строят N диаграмм направленности и определяют характеристики диаграммы направленности активной/пассивной фазированной антенной решетки. Данный способ действительно позволяет избежать необходимости открытого излучения активной фазированной антенной решетки при измерении диаграммы направленности при условии, что для выполнения операции определения амплитудно-фазовых распределений используется строгая или приближенная математическая модель, устанавливающая связь между комплексной амплитудой возбуждения канала активной фазированной антенной решетки и амплитудно-фазовым распределением в раскрыве антенны, а также с диаграммой направленности активной фазированной антенной решетки при возбуждении с отдельного входа.
Недостаток способа - измерение коэффициента передачи канала, ко входу которого подключен источник сигнала, не позволяет учесть взаимное влияние между излучателями в раскрыве активной фазированной антенной решетки. С учетом этого, точность определения характеристик диаграммы направленности активной фазированной антенной решетки с помощью способа зависит не от числа измерений, а от строгости математической модели.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому способу является способ определения диаграммы направленности фазированной антенной решетки, расположенной перед коллиматором, взятый за прототип, включающий 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 вычисление диаграммы направленности фазированной антенной решетки в соответствии с математической моделью [5 - Патент RU 2343495. Способ определения диаграммы направленности фазированной антенной решетки / В.А. Балагуровский, А.С. Кондратьев, Е.А. Сергеев, А.О. Маничев. МПК G01R 29/10. - Опубл. 10.01.2009].
Однако способ-прототип имеет существенный недостаток, заключающийся в необходимости открытого излучения при определении диаграммы направленности фазированной антенной решетки в передающем режиме.
Задачей, на решение которой направлено предполагаемое изобретение, является исключение открытого излучения при определении диаграммы направленности активной фазированной антенной решетки в передающем режиме.
Для решения указанной задачи предлагается способ определения диаграммы направленности активной фазированной антенной решетки, состоящий в расположении активной фазированной антенной решетки на заданном расстоянии от вспомогательной антенны, излучении формируемого электромагнитного поля в направлении исследуемой активной фазированной антенной решетки и приеме сигналов, излученных вспомогательной антенной, исследуемой активной фазированной антенной решеткой. Согласно изобретению, измеряют комплексные коэффициенты передачи каждого приемного канала при неподвижном опорно-поворотном устройстве, формируя на их основе калибровочные коэффициенты в режиме приема, измеряют комплексные коэффициенты передачи каждого приемного канала, формируя на их основе комплексные диаграммы направленности приемных каналов с учетом сферичности фазового фронта принятой электромагнитной волны и сформированных калибровочных коэффициентов в режиме приема, путем вращения активной фазированной антенной решетки, размещенной на опорно-поворотном устройстве, определяют диаграмму направленности активной фазированной антенной решетки в режиме приема на основе математической модели при использовании сформированных комплексных диаграмм направленности приемных каналов, подключают формирователь сигналов поочередно ко входу каждого передающего канала активной фазированной антенной решетки, измеряют комплексный коэффициент передачи канала при неподвижном опорно-поворотном устройстве и без открытого излучения активной фазированной антенной решетки в свободное пространство и преобразуют его в амплитуду и фазу сигнала, по результатам преобразованных амплитуд и фаз комплексных коэффициентов передачи каналов определяют амплитудно-фазовое распределение на выходах передающих каналов активной фазированной антенной решетки и вычисляют диаграмму направленности активной фазированной антенной решетки в режиме передачи в виде суммы взвешенных комплексных диаграмм направленности приемных каналов активной фазированной антенной решетки с коэффициентами, соответствующими комплексным амплитудам амплитудно-фазового распределения на выходах передающих каналов активной фазированной антенной решетки.
Техническим результатом изобретения является исключение открытого излучения при определении диаграммы направленности активной фазированной антенной решетки в передающем режиме.
Сравнительный анализ способа-прототипа и предлагаемого способа показывает, что в предлагаемом способе введены операции:
- измерение комплексных коэффициентов передачи каждого приемного канала при неподвижном опорно-поворотном устройстве с формированием на их основе калибровочных коэффициентов в режиме приема;
- измерение комплексных коэффициентов передачи каждого приемного канала с формированием на их основе комплексных диаграмм направленности приемных каналов с учетом сферичности фазового фронта принятой электромагнитной волны и сформированных калибровочных коэффициентов в режиме приема путем вращения активной фазированной антенной решетки, размещенной на опорно-поворотном устройстве;
- определение диаграммы направленности активной фазированной антенной решетки в режиме приема на основе математической модели при использовании сформированных комплексных диаграмм направленности приемных каналов;
- подключение формирователя сигналов поочередно ко входу каждого передающего канала активной фазированной антенной решетки;
- измерение комплексного коэффициента передачи канала при неподвижном опорно-поворотном устройстве и без открытого излучения активной фазированной антенной решетки в свободное пространство и преобразование его в амплитуду и фазу сигнала;
- определение по результатам преобразованных амплитуд и фаз комплексных коэффициентов передачи каналов амплитудно-фазового распределения на выходах передающих каналов активной фазированной антенной решетки;
- вычисление диаграммы направленности активной фазированной антенной решетки в режиме передачи в виде суммы взвешенных комплексных диаграмм направленности приемных каналов активной фазированной антенной решетки с коэффициентами, соответствующими комплексным амплитудам амплитудно-фазового распределения на выходах передающих каналов активной фазированной антенной решетки.
Введение семи операций позволяет, по сравнению со способом-прототипом, исключить открытое излучение в свободное пространство при определении диаграммы направленности активной фазированной антенной решетки в режиме передачи.
Предполагаемое изобретение не известно из анализа уровня техники, а также не известны источники информации, содержащие сведения об аналогичных технических решениях, имеющих признаки, сходные с признаками, отличающими заявляемое решение от прототипа, а также свойства, совпадающие со свойствами заявляемого решения, поэтому можно считать, что оно обладает существенными отличиями, вытекает из них неочевидным образом и, следовательно, соответствует критериям патентоспособности «новизна» и «изобретательский уровень».
На фигуре 1 приведена структурная схема измерительного полигона, реализующего предлагаемый способ. На фигуре 2 показана система координат, связанная с плоскостью раскрыва активной фазированной антенной решетки, и система координат наблюдения.
При реализации предлагаемого способа определения диаграммы направленности активной фазированной антенной решетки выполняется следующая последовательность операций:
- располагают активную фазированную антенную решетку на заданном расстоянии от вспомогательной антенны - 1;
- излучают формируемое электромагнитное поле в направлении исследуемой активной фазированной антенной решетки - 2;
- принимают сигналы, излученные вспомогательной антенной, исследуемой активной фазированной антенной решеткой - 3;
- измеряют комплексные коэффициенты передачи каждого приемного канала при неподвижном опорно-поворотном устройстве, формируя на их основе калибровочные коэффициенты в режиме приема - 4;
- измеряют комплексные коэффициенты передачи каждого приемного канала, формируя на их основе комплексные диаграммы направленности приемных каналов с учетом сферичности фазового фронта принятой электромагнитной волны и сформированных калибровочных коэффициентов в режиме приема, путем вращения активной фазированной антенной решетки, размещенной на опорно-поворотном устройстве - 5;
- определяют диаграмму направленности активной фазированной антенной решетки в режиме приема на основе математической модели при использовании сформированных комплексных диаграмм направленности приемных каналов - 6;
- подключают формирователь сигналов поочередно ко входу каждого передающего канала активной фазированной антенной решетки - 7;
- измеряют комплексный коэффициент передачи канала при неподвижном опорно-поворотном устройстве и без открытого излучения активной фазированной антенной решетки в свободное пространство и преобразуют его в амплитуду и фазу сигнала - 8;
- по результатам преобразованных амплитуд и фаз комплексных коэффициентов передачи каналов определяют амплитудно-фазовое распределение на выходах передающих каналов активной фазированной антенной решетки - 9;
- вычисляют диаграмму направленности активной фазированной антенной решетки в режиме передачи в виде суммы взвешенных комплексных диаграмм направленности приемных каналов активной фазированной антенной решетки с коэффициентами, соответствующими комплексным амплитудам амплитудно-фазового распределения на выходах передающих каналов активной фазированной антенной решетки - 10.
В состав измерительного полигона (фиг. 1) входят формирователь сигналов 1, первый блок коммутации 2, вспомогательная антенна 3, N-излучателей активной фазированной антенной решетки (АФАР) 4, N-приемных каналов АФАР 5, показанных условно, опорно-поворотное устройство (ОПУ) 6, второй блок коммутации 7, блок обработки сигналов и формирования амплитудно-фазового распределения приемных каналов АФАР 8, блок формирования ДН приемных каналов АФАР 9, блок определения диаграммы направленности (ДН) АФАР в режиме приема 10, индикаторное устройство 11, устройство управления и обработки 12, N-передающих каналов АФАР 13, третий блок коммутации 14, измеритель комплексного коэффициента передачи 15, блок формирования амплитудно-фазового распределения 16, блок формирования ДН АФАР в режиме передачи 17.
Выход формирователя сигналов 1 подключен к информационному входу первого блока коммутации 2. Первый выход первого блока коммутации 2 подключен ко входу вспомогательной антенны 3. Вспомогательная антенна 3 обеспечивает формирование электромагнитной волны на заданном расстоянии от раскрыва тестируемой АФАР (N-излучателей АФАР 4, подключенных к N-приемным каналам АФАР 5. На фигуре 1 приемные каналы АФАР 5 показаны условно). Максимум ДН вспомогательной антенны 3 направлен на тестируемую АФАР. Вращение АФАР в режиме приема производится с помощью опорно-поворотного устройства 6. N-приемных каналов АФАР 5 посредством второго блока коммутации 7 подключены к блоку обработки сигналов и формирования амплитудно-фазового распределения приемных каналов АФАР 8. К выходам блока обработки сигналов и формирования амплитудно-фазового распределения приемных каналов АФАР 8 подключены входы блока формирования ДН приемных каналов АФАР 9. Первые выходы блока формирования ДН приемных каналов АФАР 9 электрически связаны со входами блока определения ДН АФАР в режиме приема 10. К выходу блока определения ДН АФАР в режиме приема 10 подключен первый вход индикаторного устройства 11. Управление всеми блоками производится по командам, поступающим из устройства управления и обработки 12 на входы синхронизации и управления блоков 1, 2, 5-11, 13-17.
Второй выход первого блока коммутации 2 подключен ко входу делителя мощности активной фазированной антенной решетки (на фигуре 1 не показан), посредством которого сигнал формирователя сигналов 1 передается ко входам N-передающих каналов АФАР 13. Первый выход каждого передающего канала АФАР 13, кроме тестируемого передающего канала АФАР 13, подключен через коммутатор мощности (на фигуре 1 не показан) к согласованной нагрузке (на фигуре 1 не показана), второй выход передающего канала АФАР 13 подключен к соответствующему входу третьего блока коммутации 14 и далее - к измерителю комплексного коэффициента передачи 15. Выход измерителя комплексного коэффициента передачи 15 электрически связан со входом блока формирования амплитудно-фазового распределения 16. Информация о сформированном амплитудно-фазовом распределении поступает на первые входы блока формирования ДН АФАР в режиме передачи 17, вторые входы которого подключены ко вторым выходам блока формирования ДН приемных каналов АФАР 9. Выход блока формирования ДН АФАР в режиме передачи 17 подключен ко второму входу индикаторного устройства 11.
Прежде чем рассмотреть функционирование измерительного полигона, реализующего предлагаемый способ, то есть определение ДН АФАР, для обоснования способа изложим следующее.
В теории и технике антенн известен принцип взаимности [6 - Марков Г.Т., Сазонов Д.М. Антенны. Изд. 2-е, перераб. и доп. М.: Энергия. 1975. С. 162-172], который означает, что ДН антенны в режиме приема и в режиме передачи будет идентична при условии совпадения амплитудно-фазового распределения на прием и передачу. В связи с этим в случае пассивных фазированных антенных решеток, у которых тракты приема и передачи являются линейными и не разделяются для измерения приемо-передающей ДН, достаточно выполнить измерение ДН в режиме приема.
В случае АФАР тракты приема и передачи сигналов отличаются. Кроме того, в состав приемных и передающих трактов АФАР включают нелинейные элементы - усилители СВЧ, которые не позволяют обеспечить идентичность приемо-передающих амплитудно-фазовых распределений и, соответственно, приемо-передающих ДН.
В то же время приемо-передающие ДН соответствующих каналов АФАР отличаются только своими нормами. В связи с этим для определения ДН АФАР в передающем режиме необходимо измерить нормированные (калиброванные) ДН всех каналов АФАР в приемном режиме, определить комплексные коэффициенты на передачу каналов АФАР и на их основе - амплитудно-фазовое распределение на выходах каналов АФАР в передающем режиме. Затем сформировать ДН АФАР в передающем режиме в виде суммы взвешенных комплексных ДН каналов антенных элементов АФАР в приемном режиме с коэффициентами, соответствующими комплексным амплитудам из амплитудно-фазового распределения АФАР в передающем режиме.
Устройство работает следующим образом.
Тестовый сигнал поступает с выхода формирователя сигналов 1 на информационный вход первого блока коммутации 2, переключатель которого изначально направляет тестовый сигнал на первый выход первого блока коммутации 2 и обеспечивает отсутствие тестового сигнала на втором выходе первого блока коммутации 2. Тестовый сигнал с первого выхода первого блока коммутации 2 поступает на вход вспомогательной антенны 3. Вспомогательная антенна 3 излучает тестовый сигнал в окружающее пространство. Этот сигнал принимается N-излучателями АФАР 4. Принимаемый каждым n-м излучателем АФАР 4 сигнал поступает на вход n-го приемного канала АФАР 5. На выходе n-го приемного канала АФАР 5 формируется цифровое значение отсчета, которое передается посредством второго блока коммутации 7 на входы блока обработки сигналов и формирования амплитудно-фазового распределения приемных каналов АФАР 8. При неподвижном опорно-поворотном устройстве 6 все цифровые отсчеты запоминаются в блоке обработки сигналов и формирования амплитудно-фазового распределения приемных каналов АФАР 8, и на их основе формируются калибровочные коэффициенты в режиме приема. Затем производится формирование комплексных диаграмм направленности N-приемных каналов с учетом сферичности фазового фронта принятой электромагнитной волны и сформированных калибровочных коэффициентов в режиме приема. Для этого вновь принимаемый n-м излучателем АФАР 4 сигнал поступает на вход n-го приемного канала АФАР 5. На выходе л-го приемного канала АФАР 5 формируется цифровое значение отсчета, которое передается посредством второго блока коммутации 7 на соответствующий вход блока обработки сигналов и формирования амплитудно-фазового распределения приемных каналов АФАР 8. В блоке обработки сигналов и формирования амплитудно-фазового распределения приемных каналов АФАР 8 осуществляется преобразование и запись сигнала, соответствующего принятому тестовому сигналу n-м приемным каналом АФАР 5 для текущего положения опорно-поворотного устройства 6. На основе измерений, хранящихся в блоке обработки сигналов и формирования амплитудно-фазового распределения приемных каналов АФАР 8, в блоке формирования ДН приемных каналов АФАР 9 производится формирование и запись значения ДН измеряемого приемного канала АФАР 5 для текущего углового положения опорно-поворотного устройства 6. После записи отсчетов по команде, поступающей из устройства управления и обработки 12, формируется управляющий сигнал для изменения углового положения опорно-поворотного устройства 6, после чего осуществляется запись нового отсчета. После выполнения цикла измерения ДН N-приемных каналов АФАР 5 в блоке формирования ДН приемных каналов АФАР 9 хранятся комплексные массивы данных, описывающие угловые зависимости напряженности электромагнитного поля для всех N приемных каналов АФАР 5. ДН АФАР в режиме приема определяется в блоке определения ДН АФАР в режиме приема 10 в соответствии с математической моделью при использовании сформированных комплексных диаграмм направленности приемных каналов. Далее полученная ДН АФАР в режиме приема выводится на индикаторное устройство 11.
После определения ДН АФАР в режиме приема осуществляется нахождение ДН АФАР в режиме передачи. Для этого производится переключение первого блока коммутации 2 таким образом, чтобы тестовый сигнал с формирователя сигналов 1 передавался на второй выход первого блока коммутации 2. Тестовый сигнал со второго выхода первого блока коммутации 2 поступает на вход делителя мощности АФАР (на фигуре 1 не показан) и далее на входы N-передающих каналов АФАР 13, включая измеряемый n-й передающий канал АФАР 13. Открытое излучение тестового сигнала АФАР предотвращается тем, что вместо N-излучателей АФАР 4 на выходы всех N-передающих каналов АФАР 13, кроме n-го передающего канала АФАР 13, через коммутатор мощности (на фигуре 1 не показан) подключаются согласованные нагрузки (на фигуре 1 не показаны). С выхода n-го передающего канала АФАР 13 сигнал поступает через третий блок коммутации 14 на вход измерителя комплексного коэффициента передачи 15 в виде цифрового значения комплексного коэффициента передачи n-го передающего канала АФАР 13. В результате в данном режиме осуществляется запись комплексных коэффициентов передачи всех N передающих каналов АФАР 13 при неподвижном ОПУ 6 и без открытого излучения АФАР в свободное пространство. После этого в блоке формирования амплитудно-фазового распределения 16 осуществляется преобразование комплексных коэффициентов передачи в комплексные весовые коэффициенты на передачу. Информация о сформированных весовых коэффициентах поступает на первые входы блока формирования ДН АФАР в режиме передачи 17, вторые входы которого подключены ко вторым выходам блока формирования ДН приемных каналов АФАР 9. В блоке формирования ДН АФАР в режиме передачи 17 осуществляется формирование ДН АФАР в режиме передачи в виде взвешенной суммы комплексных ДН приемных каналов АФАР с коэффициентами, соответствующими комплексным амплитудам амплитудно-фазового распределения на выходах передающих каналов АФАР, передаваемым из блока формирования амплитудно-фазового распределения 16. Полученная ДН АФАР в режиме передачи поступает на второй вход индикаторного устройства 11.
Вспомогательная антенна 3 при проведении измерений в дальней зоне может представлять собой штатную направленную антенну. При проведении измерений в ближней зоне вспомогательная антенна 3 может представлять собой зеркальную антенну, диаметр которой превышает размеры активной фазированной антенной решетки.
Первый, второй и третий блоки коммутации 2, 7, 14 являются типовыми многоканальными переключателями мощности и могут быть реализованы на основе программируемых логических интегральных схем (ПЛИС).
Каждый из приемных каналов АФАР 5, как правило, состоит из излучателя, малошумящего усилителя, преобразователя сигналов на промежуточную частоту, аналого-цифрового преобразователя.
Каждый из передающих каналов АФАР 13 может включать фазовращатель, усилитель мощности, направленный ответвитель.
Блок обработки сигналов и формирования амплитудно-фазового распределения приемных каналов АФАР 8, блок формирования ДН приемных каналов АФАР 9 и блок определения ДН АФАР в режиме приема 10 могут быть реализованы на единой платформе, которая представляет собой специализированную ЭВМ, обеспечивающую запись оцифрованных отсчетов принимаемого сигнала в зависимости от углового положения опорно-поворотного устройства 6 в режиме измерения ДН и формирование ДН АФАР в режиме приема путем суммирования измеренных ДН приемных каналов АФАР с комплексными весовыми коэффициентами, вычисленными на основе математической модели при использовании сформированных комплексных диаграмм направленности приемных каналов.
При определении ДН АФАР в режиме передачи измеритель комплексного коэффициента передачи 15, блок формирования амплитудно-фазового распределения 16 и блок формирования ДН АФАР в режиме передачи 17 могут быть реализованы на единой платформе на базе ПЛИС.
В качестве индикаторного устройства 11 могут использоваться любые средства вывода данных измерений в виде файла, графического изображения или бумажной копии.
Рассмотрим особенности математической модели измерения комплексных ДН элементов в составе АФАР (см. фиг. 1) с помощью ОПУ 6 и с учетом представленной на фиг. 2 системы координат, связанной с плоскостью раскрыва активной фазированной антенной решетки, и системы координат наблюдения.
n
n
n
n
Имеется АФАР, фазовый центр n-го излучателя АФАР расположен в точке q=(x, y, z, 1), а раскрыв АФАР 4 заключен в объеме V.
ДН АФАР в общем случае определяется выражением вида:
где  - комплексная ДН n-го излучателя в составе АФАР в режиме приема или в режиме передачи;
n
W - комплексная амплитуда n-го канала АФАР.
На основании принципа взаимности ДН n-го излучателя в составе АФАР в режиме приема и передачи идентичны, поэтому в процессе измерения комплексных ДН излучателей в составе АФАР их можно измерять как в режиме приема, так и в режиме передачи.
n
n
Комплексная ДН излучателя представляет собой распределение поля на поверхности сферы бесконечного радиуса, создаваемое антенной, расположенной в центре сферы. На основании волновых уравнений распределения полей E и H, создаваемых при возбуждении отдельного излучателя АФАР, могут быть связаны с векторными потенциалами , :
;
,
где ω - круговая частота;
a
a
ε, μ - абсолютные диэлектрическая и магнитная проницаемости среды (свободного пространства).
Векторные потенциалы ,  порождаются сторонними электрическими и магнитными токами соответственно. Для простоты будем считать, что в раскрыве АФАР 4 существуют только электрические сторонние токи, что не нарушает общности модели. Будем считать, что сторонние токи определены в объеме V, а вспомогательная приемная антенна расположена в точке наблюдения р.
В общем случае плоскость раскрыва не обязательно проходит через начало координат, с которым совместим ось вращения ОПУ 6. Будем считать, что вращение ОПУ 6 осуществляется вокруг оси 0y декартовой системы координат (фиг. 2).
Векторный потенциал поля, создаваемого n-ым излучателем АФАР в точке наблюдения, в общем случае определяется выражением вида:
a
где индекс  - обозначает компонент поля (тока) в выбранной системе координат;
a
n
J - объемная плотность соответствующего компонента тока в объеме V;
r - расстояние от центра ОПУ до точки наблюдения.
Введем систему координат источников 0x'y'z', связанную с плоскостью раскрыва АФАР, и систему координат наблюдения 0xyz, центр которой совмещен с осью вращения ОПУ 6, а ось z направлена на вспомогательную антенну 3.
С точки зрения удобства расчета целесообразно рассчитать векторные потенциалы в системе координат источников. В этом случае при вращении ОПУ 6 распределение объемной плотности тока будет оставаться неизменным, а угловую зависимость будут иметь координаты точки наблюдения в системе координат источников.
Изменение координаты точки р в зависимости от азимутального угла поворота ОПУ 6 ϕ позволяет оценить матрицы поворота и перемещения
0
0
0
0
где q=(x,y,z) - координата фазового центра раскрыва в системе координат наблюдения.
Тогда координаты точки наблюдения в системе координат источников определяются выражением
x
x
y
y
x
x
y
y
Предположим, что раскрыв АФАР является плоским с размерами [-L,L] по оси 0х' и ⎣-L,L⎦ по оси 0y' тогда интеграл по объему в выражении (2) может быть заменен интегралом по поверхности, а все токи заданы в плоскости x'0y'. Поэтому x'∈[-L,L], y'∈⎣-L,L⎦, z'=0.
С учетом сказанного выражение (2) может быть переписано в виде
Отсюда следует, что относительное смещение измерительной антенны вдоль оси 0y не сказывается на угловой зависимости векторного потенциала, что важно для измерения ДН. Смещение фазового центра по остальным осям координат приводит к тому, что векторный потенциал в базисе источников получает дополнительное фазовое смещение, которое зависит от распределения объемной плотности тока и, следовательно, меняется от излучателя к излучателю, т.е.
Для расчета ДН необходимы векторные потенциалы, которые будут привязаны к системе координат наблюдения. Соответствующий переход осуществляется с помощью матрицы поворота:
Отсюда следует
Компоненты векторных потенциалов, привязанные к системе координат, связанной с геометрией измерительного стенда, могут быть использованы для формирования ДН в любой другой системе координат, например, в сферической или цилиндрической.
Проведенный анализ показывает, что, во-первых, если фазовый центр измеряемой антенны совпадает с осью ОПУ 6, то комплексные ДН излучателей в составе АФАР могут быть измерены максимально точно. Если имеется смещение фазового центра АФАР, то векторные потенциалы в базисе источников получают дополнительное смещение, которое не зависит от угловой координаты. Если в базисе источников имеются компоненты тока, перпендикулярные плоскости раскрыва, то данные фазовые смещения приводят к искажениям компонентов векторных потенциалов не только по фазе, но и по амплитуде, причем данные искажения зависят от угла поворота ОПУ 6 и наиболее существенны в том случае, когда угол поворота ОПУ 6 приближается к 90 градусам относительно направления на вспомогательную антенну 3. Если этих компонентов нет, то фазовые искажения векторных потенциалов остаются неизменными. При измерениях амплитудной ДН фазовые искажения векторных потенциалов могут привести к погрешностям только при условии существования как поперечных, так и продольных компонентов тока.
На формируемую ДН в режиме приема или передачи также оказывают конструктивные отличия приемного и передающего трактов. Приемный и передающий тракты содержат в своем составе усилители (активные элементы), которые вносят определенную нелинейность в каждый канал как в режиме приема, так и в режиме передачи. Эта нелинейность при измерении ДН антенных элементов в приемном режиме является постоянной от элемента к элементу. При формировании ДН в передающем режиме нелинейность, вносимая активным элементом в канал, зависит от комплексной амплитуды возбуждения элемента, используемого номинала усилителя в данном канале. Это означает, что ДН АФАР в приемном режиме может быть представлена в виде
,
a
n
n
где зависимость (θ,ϕ)exp(iψ(0,ϕ)) учитывает искажения измеренной приемной ДН за счет несовпадения фазового центра антенны с осью вращения ОПУ 6 (в случае плоской антенны эта зависимость компенсируется в процессе калибровки АФАР).
n
В передающем режиме ДН АФАР включает в свой состав дополнительный комплексный коэффициент B, учитывающий дополнительную нелинейность, вносимую активным элементом
.
На основании полученных соотношений можно заключить, что для определения ДН АФАР в режиме приема необходимо
- излучить с помощью вспомогательной антенны 3 электромагнитное поле в направлении исследуемой АФАР, расположенной на определенном расстоянии, и измерить при неподвижном опорно-поворотном устройстве комплексные коэффициенты передачи приемных каналов;
- принять сигналы, излученные вспомогательной антенной, исследуемой АФАР, при вращении АФАР и сформировать на их основе ДН отдельных каналов;
- откалибровать АФАР, т.е. оценить и компенсировать искажения ДН n-го канала, обусловленные тем, что ось вращения ОПУ 6 не совпадает с фазовым центром n-го излучателя, а также другими факторами;
n
- найти сумму ДН приемных каналов с заданными весовыми коэффициентами W.
Для формирования ДН АФАР в режиме передачи после определения ДН приемных каналов и компенсации искажений необходимо дополнительно найти комплексные коэффициенты передачи активных элементов. После этого ДН АФАР в режиме передачи находится в виде суммы взвешенных ДН приемных каналов АФАР с коэффициентами, соответствующими комплексным амплитудам амплитудно-фазового распределения на выходах передающих каналов АФАР.
Приведенные выше материалы подтверждают соответствие критерию “промышленная применимость” предложенного способа.
Техническим результатом изобретения является исключение открытого излучения при определении диаграммы направленности активной фазированной антенной решетки в передающем режиме. Кроме того, определение диаграммы направленности активной фазированной антенной решетки в режиме приема на основе математической модели при использовании сформированных комплексных диаграмм направленности приемных каналов позволяет повысить достоверность получаемых результатов.