СПОСОБ ДИАГНОСТИКИ СОСТОЯНИЯ ЭЛЕМЕНТОВ ФАЗИРОВАННОЙ АНТЕННОЙ РЕШЕТКИ
DIAGNOSTIC METHOD OF STATE OF ELEMENTS OF PHASED ANTENNA ARRAY

Область техники
Изобретение относится к области антенной техники, а точнее к способам определения работоспособности элементов фазированных антенных решеток (ФАР) на основании измерения СВЧ сигнала.
Уровень техники
Качество управления диаграммой направленности ФАР напрямую зависит от работоспособности элементов ФАР и тракта распределения мощности СВЧ. Поэтому в целях оперативного или периодического контроля состояния и повышения качества управления лучом ФАР возникает необходимость в получении информации об отказах элементов.
В настоящее время известно большое число методов диагностики состояния элементов ФАР как на низких частотах (по цепям управления), так и на основании СВЧ измерений. Недостатком низкочастотной диагностики является то, что она определяет работоспособность элемента по косвенным признакам и не может выделить такую неисправность, как отсутствие возбуждения элемента по СВЧ (которая может быть вызвана, например, неисправностью питающего тракта СВЧ или, в случае активных ФАР, отказом усилителя).
Для диагностики элемента по СВЧ необходимо обеспечить измерение сигнала СВЧ, излученного или принятого тестируемым элементом. При этом в ряде случаев (например, при оперативном контроле оборудования, находящегося в процессе эксплуатации) реализация специального тракта СВЧ и/или дополнительного оборудования для тестирования элементов в составе ФАР нецелесообразна ввиду сложностей технического и экономического характера.
В принципе, задача периодического контроля может быть решена путем помещения на тестируемый элемент согласованного зонда, однако в полевых условиях такой метод диагностики сопряжен со сложностями реализации, так как требует демонтажа радиопрозрачного укрытия и обеспечения физического доступа к каждому из фазовращателей (что затруднительно ввиду того, что антенна может размещаться в довольно труднодоступном месте на большой высоте).
Для СВЧ диагностики без демонтажа радиопрозрачного укрытия и дополнительных СВЧ трактов и устройств предложен ряд способов, основанных на измерении амплитуды и фазы возбуждения элементов ФАР с помощью неподвижного зонда: модуляционный [Восстановление распределения поля в раскрыве решетки модуляционным способом/ А.А.Леманский, В.С.Рабинович, В.Г.Соколов // Радиотехника и электроника, 1976, т.21, вып.3, с.616-620] и коммутационный [Коммутационный метод измерения характеристик ФАР / Г.Г.Бубнов, С.М.Никулин, Ю.Н.Серяков, С.А.Фурсов. - М.: Радио и связь, 1988, 120 с.] методы измерения. Вместе с тем, эти способы требуют использования специальной зондовой антенны, размещаемой в ближней зоне ФАР, и обеспечения неподвижности этого зонда относительно апертуры ФАР, что часто также затруднительно ввиду труднодоступности расположения антенны.
Заявляемый способ позволяет диагностировать элементы ФАР по измерениям сигнала СВЧ, не требуя дополнительных СВЧ трактов и устройств в составе ФАР, демонтажа радиопрозрачного укрытия и наличия неподвижного зонда в ближней зоне.
Сущность изобретения
Ближайшим аналогом заявляемого способа является способ неподвижного зонда. Путем изменения сдвига фазы тестируемого элемента (сдвигов фаз тестируемых элементов) ФАР этот способ позволяет выделить амплитуду и фазу его (их) возбуждения на фоне постоянного СВЧ сигнала, представляющего собой сумму сигналов тех элементов ФАР, чьи фазы не меняются в ходе измерений. Сигнал от всей ФАР регистрируется вспомогательным неподвижным зондом.
Для заявляемого способа представляет интерес то обстоятельство, что обычно на практике не удается добиться идеального согласования излучателя ФАР со свободным пространством во всем рабочем диапазоне частот и найдется хотя бы одна частота, на которой часть энергии сигнала, прошедшего через фазовращатель, неизбежно отражается от излучателя и поступает на приемный выход (приемные выходы) ФАР. Несмотря на то что величина отраженного сигнала невелика, современная измерительная техника, как правило, обладает достаточным динамическим диапазоном и точностными характеристиками для его измерения.
В случае приемно-передающих пассивных ФАР, передающая и приемная системы распределения СВЧ энергии, как правило, объединены в одну, и сигнал, отраженный от перехода излучатель ФАР - свободное пространство, на обратном пути второй раз проходит через тот же тестируемый фазовращатель, что приводит к удвоению фазового сдвига, вносимого фазовращателем в фазу сигнала этого элемента на выходе ФАР. Эта особенность не имеет принципиального значения при диагностике управляемости элемента ФАР, за исключением того, что работоспособность 180-градусного сдвига элемента не поддается детектированию (так как введение этого сдвига после удвоения не приводит к изменению фазы элементарного сигнала исследуемого элемента относительно фаз других элементарных сигналов).
Исходя из изложенного, предлагается заявляемый способ, который заключается в следующем:
1) в отличие от аналога, СВЧ сигнал подают на один из входов ФАР, который связан СВЧ трактом с входом фазовращателя тестируемого элемента (входами фазовращателей тестируемых элементов), а снимают с того выхода ФАР, на который поступает сигнал, прошедший через тестируемый фазовращатель (тестируемые фазовращатели);
2) изменяют фазовое распределение ФАР - значения относительных сдвигов фаз одного или нескольких тестируемых элементов ФАР;
3) для каждого фазового распределения регистрируют амплитуду и фазу сигнала на выходе ФАР;
4) определяют амплитуды и фазы возбуждения элементов ФАР, основываясь на измеренных данных и, в случае, если СВЧ сигнал прошел через тестируемый фазовращатель два раза, учитывают, что фазовый сдвиг, вносимый фазовращателем тестируемого элемента, умножается на два;
5) по измеренным амплитуде и фазе возбуждения элемента (элементов) ФАР делают вывод о его (их) работоспособности, т.е. элемент считается неисправным, если (а) его амплитуда, полученная в результате математической обработки, близка к нулю и/или (б) его фаза существенно отличается от фазы, соответствующей целевому амплитудно-фазовому распределению (АФР).
Данное изобретение направлено на упрощение процесса диагностики элементов ФАР. Этот технический результат достигается тем, что измерение осуществляется без дополнительной вспомогательной антенны.
Перечень чертежей
Фиг.1 - Схема измерений.
Фиг.2 - Гистограммы распределения амплитуды для исправных и неисправных элементов.
Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения
Средства для реализации данного изобретения - исследуемая ФАР и измеритель разности фаз и отношения уровней (амплифазометр).
Ниже приводится описание предпочтительной реализации данного изобретения, но при этом возможно внесение незначительных изменений в схему измерений без отклонения от рамок и духа настоящего изобретения.
Измерительная установка содержит:
- испытуемую пассивную ФАР (1)
- амплифазометр (2)
- систему управления фазовращателями (3)
- компьютер (4)
- генератор СВЧ (5)
Сигнал от генератора (5) подается на вход амплифазометра (2), с выхода измерительного канала амплифазометра (2) направляется на вход ФАР (1) и с выхода ФАР (1) поступает на вход измерительного канала амплифазометра (2).
Канал выдачи данных измерений амплифазометра (2) и интерфейс системы управления фазовращателями (СУЛ) (3) подключаются к компьютеру (4).
Предлагаемый способ осуществляется следующим образом. В ФАР формируется в общем случае произвольное АФР, далее называемое целевым АФР. Для каждого фазовращателя компьютер через СУЛ устанавливает фазовые сдвиги согласно процедуре коммутационного метода измерений, основанного на функциях Уолша [Коммутационный метод измерения характеристик ФАР / Г.Г.Бубнов, С.М.Никулин, Ю.Н.Серяков, С.А.Фурсов. - М.: Радио и связь, 1988, стр.64]. При этом учитывается то, сколько раз (один или два) сигналы исследуемых элементов проходят через их фазовращатели. Применяя процедуру обработки согласно указанному методу, восстанавливают амплитуду и фазу возбуждения каждого из исследуемых элементов. По полученным комплексным величинам возбуждения элементов ФАР определяют их работоспособность.
Возможность осуществления заявляемого способа была проверена экспериментально на неэквидистантной ФАР из 384 элементов с поэлементным управлением. Амплитудное распределение на элементах ФАР близко к равномерному. Реализовывалась процедура, описанная выше. Для имитации отказавших элементов было введено 127 неуправляемых виртуальных элементов, амплитуды и фазы которых восстанавливались наряду с амплитудами и фазами возбуждения реальных элементов. Полученные результаты были подвергнуты статистической обработке и представлены в виде гистограмм и их аппроксимаций законом распределения Райса на Фиг.2. Анализ полученных данных показывает, что распределение восстановленных амплитуд для исправных элементов сильно смещено относительно распределения восстановленных амплитуд для неисправных элементов, и ошибка признания исправного элемента неисправным, или, наоборот, неисправного элемента - исправным, невелика. Это подтверждает работоспособность заявляемого способа диагностики состояния элементов ФАР.