Способ контроля исправности каналов фазированных антенных решеток
METHOD FOR MONITORING THE HEALTH OF CHANNELS OF PHASED ANTENNA ARRAYS

Изобретение относится к области антенной техники и может быть использовано для контроля исправности каналов пассивных и активных фазированных антенных решеток (ФАР).
В процессе сборки, настройки и эксплуатации ФАР требуется контроль состояния ее элементов (каналов) для выявления и ремонта неисправных.
В настоящее время известно большое число методов контроля исправности каналов ФАР, также часто называемых методами диагностики ФАР. Под диагностикой ФАР, как правило, подразумевают диагностику состояния элементов или амплитудно-фазового распределения на раскрыве ФАР. Методы диагностики делят на методы, основанные на низкочастотной проверке целостности цепей управления и исправности отдельных устройств в каналах, и методы, основанные на измерении и анализе излученного или принятого ФАР СВЧ-сигнала [Активные фазированные антенные решетки / Под ред. Д.И. Воскресенского и А.И. Канащенкова. - Москва: Радиотехника, 2004. - 488 с].
Измерения параметров сигналов в каналах ФАР на низких частотах (по цепям управления) позволяют диагностировать неисправные элементы (как правило, устройства управления фазовращателями). Однако встроенные системы контроля охватывают не весь тракт и потому дают лишь косвенную информацию о поле в раскрыве ФАР и, в конечном итоге, не дают информации о реальных значениях амплитуд и фаз элементов. Определение амплитуд и фаз на раскрыве ФАР необходимо, например, для оценки величины снижения или обнаружения полного отсутствия усиления в канале, обусловленного неисправностью питающего тракта СВЧ или, в случае активных ФАР, отказом усилителя.
В отличие от низкочастотных методов диагностики методы, основанные на измерениях сигнала СВЧ, позволяют определить значения амплитуд и фаз элементов на раскрыве ФАР.
Известен способ диагностики состояния элементов ФАР [Патент №2413345. Способ диагностики состояния элементов фазированной антенной решетки: №2009115063/07: заявл. 20.04.2009: опубл. 27.02.2011 / В.А. Балагуровский, А.О. Маничев, А.С. Кондратьев, А.А. Захаров.], основанный на изменении сдвигов фаз возбуждения одного или нескольких элементов ФАР, измерении амплитуды и фазы суммарного сигнала на выходе ФАР, определении из измеренных данных амплитуды и фазы возбуждения элемента (амплитуд и фаз возбуждений элементов) и определении по ним работоспособности элемента (элементов) ФАР. При этом СВЧ-сигнал подают на один из входов ФАР, который связан СВЧ-трактом с входом фазовращателя тестируемого элемента (входами фазовращателей тестируемых элементов). Снимают СВЧ-сигнал с того выхода ФАР, на который поступает сигнал (сигналы), прошедший через тестируемый фазовращатель (тестируемые фазовращатели). Если СВЧ-сигнал прошел через тестируемый фазовращатель два раза, учитывают, что фазовый сдвиг, вносимый фазовращателем тестируемого элемента, умножается на два. Такой способ позволяет диагностировать состояние элементов и делать вывод об их работоспособности ФАР по измеренным амплитуде и фазе возбуждения этих элементов. Элемент считается неисправным, если его амплитуда, полученная в результате математической обработки, близка к нулю и/или его фаза существенно отличается от фазы, соответствующей целевому амплитудно-фазовому распределению (АФР).
К недостаткам известного способа можно отнести большие временные и вычислительные затраты при математической обработке данных измерений, связанные с определением амплитуд и фаз возбуждения элементов из измеренных данных путем решения системы линейных уравнений. Это особенно критично для ФАР с большим числом элементов. Также при определении амплитуд и фаз возбуждения элементов в известном способе используется ДН одного элемента ФАР, что является источником дополнительных ошибок. Кроме того на измерения ДН одного элемента ФАР затрачивается дополнительное время.
В качестве прототипа для заявляемого способа выбран способ контроля исправности приемо-усилительных каналов активной фазированной антенной решетки (АФАР) [Патент №2697813. Способ контроля исправности приемо-усилительных каналов активной фазированной антенной решетки: №2018138680: заявл. 01.11.2018: опубл. 20.08.2019 / Елисюткин Григорий Анатольевич (RU), Кирьянов Владимир Владимирович (RU), Поликашкин Роман Васильевич (RU), Степашкин Алексей Владимирович (RU), Тарасов Сергей Александрович (RU), Филиппов Константин Викторович (RU)], заключающийся в последовательном контроле работоспособности приемо-усилительных каналов приемопередающих модулей АФАР, при этом изменяют фазу в контролируемом канале и проводят измерения параметров сигнала на выходах сумматора АФАР, дополнительном использовании пассивного делителя тестового сигнала, на вход которого в режиме автоматизированного контроля с блока управления и обработки сигналов АФАР посредством тестового канала подают тестовые импульсные последовательности на рабочей несущей частоте, после деления тестовые импульсные последовательности через излучающие элементы направляют в каждый из приемо-усилительных каналов, при этом параметры сигналов измеряют на суммарном и разностном выходах сумматора АФАР с помощью блока управления и обработки сигналов, на входы которого измеряемые сигналы подают посредством суммарного и разностного каналов соответственно, контроль исправности выполняют в два этапа, на первом этапе проводят проверку исправности тестового канала, при этом определяют разницы амплитуд тестовых импульсов на суммарном и разностном выходах сумматора, измеренных сначала при выключенных приемо-усилительных каналах, а затем при половине включенных синфазных приемо-усилительных каналов, полученные значения разниц амплитуд сравнивают с пороговой величиной, которую определяют эмпирически на этапе изготовления АФАР, в случае принятия решения об исправности тестового канала и с учетом исправности суммарного и разностного каналов приступают ко второму этапу проверки, на котором проверяют исправность каждого приемо-усилительного канала путем последовательного поочередного их включения и измерения амплитуд тестовых импульсов на суммарном и разностном выходах сумматора для различных значений фазовращателей приемо-передающих модулей АФАР, зарегистрированные блоком управления и обработки сигналов усредненные значения амплитуд тестовых импульсов каждого приемо-усилительного канала сравнивают между собой, при нахождении полученных значений амплитуд каждого приемо-усилительного канала в установленных границах относительно максимального опорного значения амплитуды по каждому из каналов принимают решение о его исправности либо в противном случае решение о его отказе, при этом решение об исправности принимают по следующему критерию:
где  - измеренная усредненная амплитуда i-го канала,
- максимальное опорное значение амплитуды,
- пороговая величина для оценки исправности приемо-усилительных каналов, определяемая эмпирически.
К недостаткам прототипа можно отнести определение отказов только для активных ФАР в режиме приема сигнала. Необходимость использования тестового канала и проверки его исправности, а также необходимость последовательного отключения каждого канала и перебора всех фазовых состояний каждого фазовращателя этого канала, увеличивает время измерений и время реализации способа на практике. Малый уровень сигнала, принимаемый от одного элемента при переключениях по фазе фазовращателя, трудно выявить на фоне шумов и суммарного сигнала от остальных каналов, особенно для ФАР с большим числом элементов, что может привести к снижению точности измерения амплитуды сигнала.
Задачей изобретения является уменьшение времени контроля, повышение достоверности и обеспечение возможности контроля исправности каналов активных и пассивных ФАР в режиме приема и передачи сигнала.
Техническим результатом предлагаемого способа является обеспечение возможности контроля исправности каналов активных и пассивных ФАР как в режиме приема, так и в режиме передачи сигнала, а также повышение достоверности контроля.
Сущность предлагаемого способа заключается в том, что фазированных антенных решеток, в котором осуществляют контроль работоспособности каждого из каналов фазированной антенной решетки, при этом изменяют фазы в каналах и проводят измерения параметров сигнала на выходе фазированной антенной решетки, с учетом исправности суммарного канала проверяют исправность каждого канала, при нахождении полученных значений амплитуд каждого канала в установленных границах относительно опорного значения по каждому из каналов принимают решение о его исправности либо, в противном случае, решение о его отказе, при этом решение об исправности принимают по заданному критерию.
Новым в заявляемом изобретении является то, что устанавливают вспомогательную антенну по нормали, проходящей через центр апертуры фазированной антенной решетки, располагают фазированную антенную решетку в области, где излучаемое вспомогательной антенной электромагнитное поле представляет собой плоскую электромагнитную волну, а вспомогательную антенну располагают в области, где излучаемое фазированной антенной решеткой поле представляет собой плоскую электромагнитную волну, располагают начало системы координат  в центре апертуры фазированной антенной решетки, при этом апертура фазированной антенной решетки лежит в плоскости  а нормаль к плоскости апертуры фазированной антенной решетки совпадает с осью  пересчитывают направление луча фазированной антенной решетки в систему координат  по выражениям:
определяют направление луча в системе координат  по выражениям:
задают прямоугольную область пространства в системе координат  определяют размер области по координате  для этого вычисляют отношение длины волны сигнала в свободном пространстве к заранее известному расстоянию между элементами фазированной антенной решетки по координате  определяют размер области по координате  для этого вычисляют удвоенное отношение длины волны сигнала в свободном пространстве к заранее известному расстоянию между элементами фазированной антенной решетки по координате  в этой области задают набор направлений луча, располагают их с шагами по координате  меньше или равными отношению длины волны сигнала в свободном пространстве к заранее известному размеру апертуры фазированной антенной решетки по координате х, а по координате v располагают их с шагами меньше или равными отношению длины волны сигнала в свободном пространстве к заранее известному размеру апертуры фазированной антенной решетки по координате у, задают начальные значения амплитуд  каналов, определяют начальную суммарную мощность сигнала по выражению:
где  - номер канала;
- количество каналов, изменяют фазы каналов так, чтобы установить луч фазированной антенной решетки в одно из набора направлений луча, измеряют амплитуду  и фазу  сигнала на выходе фазированной антенной решетки в случае приема сигнала фазированной антенной решеткой или на выходе вспомогательной антенны в случае передачи сигнала фазированной антенной решеткой, затем повторяют измерения амплитуд  сигнала, каждый раз устанавливая луч последовательно в остальные направления, определяют амплитуды  каналов путем обратного преобразования Фурье измеренных амплитуд  и фаз  сигнала, определяют суммарную мощность сигнала по выражению:
определяют отношение  амплитуд каждого канала по выражению:
осуществляют проверку исправности каналов по критерию:
при нахождении значения  в установленных границах принимают решение об исправности канала, в противном случае, решение о его отказе.
При этом длина волны сигнала в свободном пространстве, расстояния между элементами и размеры апертуры фазированной антенной решетки выполнены в одинаковой размерности.
На Фиг. 1 приведен пример раскрыва плоской фазированной антенной решетки.
На Фиг. 2 приведен один из вариантов реализации схемы измерений,
где:
1- ФАР;
2- компьютер;
3- коммутатор сверхвысокой частоты;
4- генератор сигнала сверхвысокой частоты;
5- вспомогательная антенна;
6- измерительная аппаратура;
7- блок управления ФАР.
На Фиг. 3 приведен пример измеренных значений амплитуд сигнала в прямоугольной области в системе координат  для плоской ФАР, приведенной на Фиг. 1. Окружность указывает границу области видимости ФАР.
На Фиг. 4 приведен пример амплитудного распределения на раскрыве плоской фазированной антенной решетки, определенного по измеренным амплитудам и фазам сигнала.
Рассмотрим одну из возможных реализаций предлагаемого способа на практике. Контроль исправности каналов осуществляется следующим образом.
До начала изменения фаз в каналах и проведения измерений параметров сигнала на выходе ФАР ее устанавливают, например, на подвижную платформу и фиксируют. После установки ФАР устанавливают вспомогательную антенну по нормали, проходящей через центр апертуры ФАР.
С помощью подвижной платформы, располагают ФАР в области, где излучаемое вспомогательной антенной электромагнитное поле представляет собой плоскую электромагнитную волну. Далее в процессе измерений ФАР остается неподвижной.
Вспомогательную антенну располагают в области, где излучаемое ФАР поле представляет собой плоскую электромагнитную волну.
В процессе проведения измерений плоский фронт электромагнитной волны может быть сформирован как посредством использования в качестве вспомогательной антенны коллиматора и рупора, так и удалением вспомогательной антенны в свою дальнюю зону. Главным условием является формирование плоского фронта электромагнитной волны в области расположения ФАР.
Располагают начало системы координат  в центре апертуры ФАР. При этом апертура ФАР лежит в плоскости  Пример расположения апертуры ФАР в системе координат  приведен на Фиг. 1.
При этом направление нормали к апертуре совпадает с направлением оси z, которая выходит из центра координат и центра ФАР.
Пересчитывают направление луча ФАР в систему координат  по выражениям:
Далее определяют направление луча в системе координат  по выражениям:
При различных реализациях плоскость апертуры ФАР можно располагать под разными углами относительно фронта плоской электромагнитной волны. В данной реализации плоскость апертуры ФАР располагается под углом  относительно фронта плоской электромагнитной волны. В системе координат  углы между плоскостью апертуры ФАР и фронтом плоской электромагнитной волны можно определить по выражениям:
Далее задают прямоугольную область пространства в системе координат  Размеры области по координатам  определяют по заранее известным значениям расстояний между элементами раскрыва ФАР по координатам х и у. В частности, для определения размера области по координате и вычисляют отношение длины волны сигнала в свободном пространстве к заранее известному расстоянию между элементами ФАР по координате х. Вычисленная величина является размером области по координате и. Затем определяют размер области по координате  для этого вычисляют удвоенное отношение длины волны сигнала в свободном пространстве к заранее известному расстоянию между элементами ФАР по координате у. Вычисленная величина является размером области по координате v.
В этой области задают набор направлений луча. Располагают их с шагами, размер которых по координате и, меньше или равен отношению длины волны сигнала в свободном пространстве к заранее известному размеру апертуры ФАР по координате х. По координате v располагают направления луча с шагами, размер которых по координате и, меньше или равен отношению длины волны сигнала в свободном пространстве к заранее известному размеру апертуры ФАР по координате у. Для примера введем следующие обозначения параметров лучей:
- номер направления луча;
- количество направлений луча;
- направление луча с номером s в системе координат
После определения параметров лучей задают начальные значения амплитуд  каналов, которые требуется получить в раскрыве ФАР, и по заданным значениям амплитуд определяют начальную суммарную мощность сигнала по выражению:
где n - номер канала;
N - количество каналов.
После этого приступают к изменению фаз в каналах. Фазы каналов изменяют так, чтобы установить луч ФАР в одно из набора направлений. Известно, что для установки луча ФАР в заданное направление, фазы каналов должны быть изменены так, чтобы сформировать в раскрыве наклонный фазовый фронт.
Затем начинают проводить измерения параметров сигнала на выходе ФАР. В частности, измеряют амплитуду  и фазу  сигнала на выходе ФАР в случае приема сигнала ФАР.
s
s
Один из вариантов схемы измерений приведен на Фиг. 2. При такой реализации схемы измерений луч ФАР (1) устанавливают в заранее заданное направление с помощью блока управления ФАР (7) и фазовращателей. Далее с помощью генератора (4) генерируется сигнал. Компьютер (2) дает команду коммутатору (3) пропускать сигнал от генератора (4) на вспомогательную антенну (5). Сигнал, который проходит через коммутатор (3) непрерывно излучается в пространство с помощью вспомогательной антенны (5). Сигнал, принятый ФАР (1) от вспомогательной антенны (5) передается на измерительную аппаратуру (6). Сигнал с выхода ФАР через коммутатор (3) поступает на измерительную аппаратуру (6), которая измеряет амплитуду F и фазу ψ сигнала и запоминает их.
s
s
В случае передачи сигнала ФАР амплитуду  и фазу  сигнала измеряют на выходе вспомогательной антенны. При этом компьютер (2) дает команду коммутатору (3) пропускать сигнал от генератора (4) на ФАР (1). Далее сигнал излучается самой ФАР(1) и принимается вспомогательной антенной (5). Сигнал, принятый вспомогательной антенной (5), передается на измерительную аппаратуру (6). Амплитуду F и фазу ψ сигнала измеряют на выходе вспомогательной антенны (5).
s
s
Измерения амплитуд F и фаз ψ сигнала повторяют, каждый раз устанавливая луч последовательно в остальные направления. Измерения продолжают до тех пор, пока луч ФАР не пройдет все заданные направления. При этом некоторые направления луча выходят за границы области видимости ФАР, приведенной на Фиг. 3 (окружность).
Амплитуды и фазы сигнала, измеренные при каждом направлении луча, поступают в компьютер (2). Совокупность измеренных по предлагаемому способу значений амплитуд и фаз сигнала составляет, так называемую, «динамическую диаграмму направленности» ФАР [Метод измерения динамических диаграмм направленности пассивных и активных фазированных антенных решеток/ А. Н. Грибанов, С.Е. Гаврилова, А. Е. Дорофеев [и др.] // Вестник Концерна ВКО «Алмаз - Антей». - 2016. - №4. - С. 32-40].
n
n
s
s
n
Следующим этапом реализации способа является определение амплитуд A сигналов в каналах ФАР, где n - порядковый номер канала. Определяют амплитуды A каналов путем обратного преобразования Фурье измеренных амплитуд F и фаз ψ сигнала. Реализуют эту операцию с помощью компьютера (2) на основе измеренной динамической диаграммы направленности ФАР. Обратное преобразование Фурье для расчета A имеет следующий аналитический вид:
где
- амплитуда сигнала в канале с номером n;
- фаза сигнала в канале с номером n;
- номер канала в раскрыве ФАР;
- номер направления луча;
- количество направлений луча;
- направление луча с номером s в системе координат (u, v);
- угловые координаты в сферической системе координат;
- угол между плоскостью раскрыва ФАР и фронтом плоской электромагнитной волны по координате θ;
- угол между плоскостью раскрыва ФАР и фронтом плоской электромагнитной волны по координате ϕ;
- амплитуда сигнала, измеренная при направлении луча
- фаза сигнала, измеренная при направлении луча
- координаты элемента с номером n в раскрыве ФАР;
- волновое число;
- длина волны сигнала в свободном пространстве.
n
Определенные таким образом амплитуды A каналов в раскрыве ФАР приведены на Фиг. 4.
n
По найденным амплитудам A определяют суммарную мощность сигнала по выражению:
n
n
n0
n
n0
n
n0
На Фиг. 4 видно, что часть каналов, например, имеет низкий уровень амплитуды. Для принятия решения об исправности или неисправности канала полученное значение его амплитуды A оценивают по критерию. Критерий показывает допустимое отклонение A от заданного начального значения амплитуды канала A. Для критерия выбирают верхнее и нижнее граничные значения, выход за пределы которых означает, что A отклонилась от A на недопустимо большую величину. Как правило, величины граничных значений критерия задают исходя из требований к точности установки значений амплитуд на раскрыве ФАР. Для контроля исправности каналов, наиболее целесообразно в качестве верхней границы критерия выбрать значение, которое с наибольшей вероятностью, указывает на неисправность устройства управления в канале. Случаи, когда величина амплитуды канала A больше чем в два раза превышает заданную A, с высокой вероятностью указывают на неисправность устройства управления.
n
n0
Для нижней границы критерия целесообразно выбрать значение, которое с наибольшей вероятностью, указывает на неисправность устройства усиления в канале. Случаи, когда величина амплитуды канала A как минимум, втрое меньше заданной A, с наибольшей вероятностью, указывают на неисправность устройства усиления в канале.
n
n0
n
n
n0
0
n
n
Итак, после расчета суммарной мощности сигнала определяют отношение K заданной амплитуды A и рассчитанной амплитуды A для каждого канала. Перед расчетом отношения K значение амплитуды каждого канала нормируют на суммарную мощность сигнала. При этом начальные значения амплитуд A в каждом канале ФАР нормируют на начальную суммарную мощность Р, а рассчитанные значения амплитуд A нормируют на суммарную мощность сигнала Р. Таким образом, отношение K рассчитывают по выражению:
n
n
Когда отношение K каждого канала вычислено, осуществляют проверку исправности каналов по критерию, то есть проверяют, удовлетворяет ли значение отношения K канала следующему условию:
n
Если значение K для канала с номером n лежит в заданных пределах, то по каналу с номером n принимают решение о его исправности, в противном случае, решение о его отказе. Таким способом контролируют исправность каждого канала ФАР.
n
n
n0
n
n
n0
Указанные в выражении для критерия граничные значения выбраны по ранее описанным причинам. Выход значения K за предел верхнего граничного значения 2,0 соответствует случаям, когда величина амплитуды канала A больше чем в два раза превышает заданную A. Такое обстоятельство, с наибольшей вероятностью, указывает на неисправность устройства управления в канале. Выход значения K за предел нижнего граничного значения, равного 0,3, указывает на то, что величина амплитуды канала A, как минимум, втрое меньше заданной A. Это обстоятельство, с наибольшей вероятностью, указывает на неисправность устройства усиления в канале. Приведенные случаи подтверждаются результатами экспериментальных работ на образцах ФАР.
Предлагаемый способ свободен от недостатков, присущих прототипу, поскольку:
- можно проводить контроль исправности каналов не только для активных, но и для пассивных ФАР;
- можно проводить контроль исправности каналов не только в режиме приема сигнала ФАР, но и в режиме передачи сигнала ФАР;
- в предлагаемом способе не требуется тестовый канал и проверка его исправности;
- в предлагаемом способе не требуется последовательного отключения каналов и перебор всех фазовых состояний каждого фазовращателя;
- обеспечивается высокий уровень сигнала при измерениях его параметров за счет одновременной работы всех элементов ФАР.
В предлагаемом способе изменение фаз всех фазовращателей осуществляется одновременно, при этом формируется наклонный фазовый фронт. За счет одновременной работы всех каналов обеспечивается высокий уровень сигнала при всех фазовых распределениях, формируемых в раскрыве ФАР для измерений амплитуд и фаз сигнала на выходе сумматора или на выходе вспомогательной антенны. Высокий уровень сигнала позволяет снизить величину ошибки измерения параметров сигнала. Кроме того такой алгоритм изменения фаз фазовращателей позволяет параллельно с измерениями контролировать исправность устройств управления и системы фазирования ФАР.
Перечисленные преимущества предлагаемого способа позволяют считать способ универсальным для различных видов ФАР и режимов их работы. Благодаря тому, что в предлагаемом способе не требуется тестовый канал и проверка его исправности, а также не требуется последовательное отключение каналов и перебор всех фазовых состояний каждого фазовращателя, обеспечивается уменьшение времени контроля.