СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ХАРАКТЕРИСТИК ДИАГРАММЫ НАПРАВЛЕННОСТИ АКТИВНОЙ ФАЗИРОВАННОЙ АНТЕННОЙ РЕШЕТКИ
METHOD FOR DETERMINING DIRECTIONAL PATTERN PARAMETERS OF ACTIVE PHASED ANTENNA ARRAY

Изобретение относится к области антенной техники, в частности к способам температурной коррекции калибровки активных фазированных антенных решеток (АФАР) и расчета характеристик диаграмм направленности АФАР в широком диапазоне температур.
Параметры множества приемо-передающих каналов и сборки антенных элементов, составляющих АФАР, отличны при изготовлении, изменяются при изменении несущей частоты, температуры и старения элементов АФАР. Поэтому без коррекции калибровки АФАР с учетом калибровки АФАР в условиях завода-изготовителя невозможно нормальное функционирование АФАР при эксплуатации.
Известна система калибровки антенной решетки «Radar system having a ferroelectric phased array antenna operating with accurate, automatic environment-calibrated, electronic beam steering» [пат. США US6172642, опубл. 9.01.2001, МПК H01Q3/26], в которой:
АФАР состоит из 3-х секций, сконфигурированных в виде треугольной равносторонней конструкции. Приемопередающие антенные элементы секции АФАР через ферритовые фазовращатели и сумматор/делитель соединены с приемопередатчиком, датчики температуры измеряют температуру каждого фазовращателя АФАР. Для каждого направления луча АФАР  для номинальной температуры рассчитываются сигналы управления фазовращателями (, по экспериментальной зависимости ошибки сдвига фазы сигнала (и температуры фазовращателя  определяется требуемый управляющий сигнал, компенсирующий температурный сдвиг фазы сигналов в фазовращателе, по формуле
При эксплуатации для расчета ( для конкретных значений (, отличающихся от узловых значений таблицы калибровки, используют данные (, записанные в память АФАР с шагом , и интерполяцию.
Данный способ не распространяется на АФАР, в которых антенные элементы через управляемые по усилению и фазе приемопередающие модули (ППМ) и сумматор/делитель соединены с приемопередатчиком. В этих АФАР за счет взаимосвязи антенных элементов и отличий импеданса нагрузки антенных элементов при приеме и передаче управляющие сигналы каналов на требуемое направление  не будут соответствовать расчетным, соответствующим взаимному расположению антенных элементов АФАР.
Известна система калибровки антенной решетки «On-site calibration of array antenna systems» [пат. США US10663563 В2, опубл. 26.5.2020, МПК G01S 7/40, G01S 13/44, G01S 7/28], в которой:
1. Выполняют оценки (, - коэффициента передачи приемного канала в дискретном множестве рабочих частот и температур  и создают калибровочную таблицу каналов приема АФАР по базе (,;
2. Выполняют калибровку передающих каналов с созданием калибровочной таблицы каналов передачи во всем диапазоне углов, рабочих частот и температур при излучениях сигнала проверяемым передающим каналом АФАР, а прием сигнала производится тест антенной.
Этот способ учитывает влияние взаимной связи между антенными элементами АФАР на коэффициенты передачи приемных и передающих каналов, что позволяет определять требуемые параметры управления приемопередающих каналов АФАР для ориентации диаграммы направленности АФАР на любое направление. Все измерения выполняются на дискретном множестве рабочих температур с созданием калибровочной базы настройки АФАР в зависимости от направления оси диаграммы направленности и температуры в характерной точке в районе АФАР.
Известен метод калибровки АФАР «Procede d’elaboration d’une table de calibration relative a une antenne reseau et dispositive correspondant» [Пат FR 2949610 (В1) опубл. 05.08.2011, МПК: H01Q 21/06] в котором формируется калибровочная таблица для каждой пары температура / частота путем сравнения результатов измерения в узловых точках рабочих температур / частот с результатами моделирования. Условием для создания таблицы калибровки на основе температуры является знание изменений параметров АФАР в зависимости от температуры.
Недостатком двух рассмотренных выше патентов является сложность создания базы данных по сигналам управления каналов АФАР в рабочем диапазоне температур. Для этого требуется громоздкая, дорогостоящая безэховая термокамера с радиопрозрачным окном, в которой должны размещаться дистанционно управляемое опорно-поворотное устройство и АФАР.
Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является «Способ определения диаграммы направленности активной фазированной антенной решетки» [RU 2620961 C1, опубл. 30.05.2017, МПК G01R 29/10]. Он основан на том, что АФАР располагают на опорно-поворотном устройстве в безэховой камере в аттестованном по положению месте на заданном расстоянии от вспомогательной антенны, излучают формируемое электромагнитное поле в направлении исследуемой АФАР, принимают сигналы, излученные вспомогательной антенной, измеряют комплексные коэффициенты передачи каждого приемного канала  при неподвижном опорно-поворотном устройстве, формируют на их основе калибровочные коэффициенты  в режиме приема, измеряют зависимость комплексного коэффициента передачи каждого приемного канала  от углового направления  на вспомогательную антенну, используя вращение активной фазированной антенной решетки с помощью опорно-поворотного устройства, формируют комплексные диаграммы направленности приемных каналов  на основе измеренных зависимостей комплексных коэффициентов передачи приемных каналов от угла , сферичности фазового фронта принятой электромагнитной волны и сформированных калибровочных коэффициентов  в  режиме приема, определяют диаграмму направленности АФАР в режиме приема   на основе математической модели при использовании сформированных комплексных диаграмм направленности приемных каналов  и диаграммообразующих коэффициентов на заданном направлении  по формуле
подключают формирователь сигналов поочередно ко входу каждого передающего канала активной фазированной антенной решетки, измеряют комплексный коэффициент передачи передающего канала  при неподвижном опорно-поворотном устройстве без одновременного излучения всех элементов активной фазированной антенной решетки и преобразуют его в комплексную амплитуду и фазу сигнала , по результатам преобразованных амплитуд и фаз комплексных коэффициентов передачи каналов определяют комплексное амплитудно-фазовое распределение  сигналов на выходах передающих каналов АФАР, вычисляют диаграмму направленности АФАР  в заданном направлении   в режиме передачи в виде суммы взвешенных комплексных диаграмм направленности приемных каналов  по формуле
Способ позволяет рассчитывать диаграммы направленности антенных элементов АФАР на передачу по данным ее измерения при приеме и аттестации комплексного коэффициента  в условиях завода-изготовителя. Это позволяет для заданных условий эксплуатации рассчитывать диаграмму направленности АФАР в режиме передачи на любое направление без проведения прямых измерений с излучением всех элементов АФАР.
Недостатком метода является сложность определения калибровочных коэффициентов в диапазоне рабочих температур, связанная с созданием громоздкой, дорогостоящей безэховой термокамеры с радиопрозрачным окном, в которой должны размещаться дистанционно управляемое опорно-поворотное устройство и АФАР.
Целью предлагаемого изобретения является снижение сложности определения диаграммы направленности (ДН) АФАР с учетом взаимного влияния антенных элементов в диапазоне рабочих температур   на заданное направление в режимах приема и передачи.
Решение поставленной задачи предлагается за счет:
n
Декомпозиции каждого канала АФАР на антенный элемент, который описывается комплексной парциальной диаграммой направленности, и приемопередающий модуль (ППМ), который описывается калибровочными коэффициентами в режиме приема   и передачи  , зависящими от рабочей температуры ППМ   где  – номер канала АФАР;
Определение калибровочных коэффициентов каждого ППМ АФАР в режиме приема  и передачи  в диапазоне температур эксплуатации , включающем температуру настройки и калибровки собранной АФАР   которая измеряется для каждого ППМ отдельно и в общем случае для разных ППМ может отличаться.
Введение в расчет ДН АФАР калибровочных коэффициентов каждого ППМ АФАР в режиме приема  и передачи   определённых:
n
– для температуры -го ППМ, измеренной при настройке и калибровке собранной АФАР
n
– для рабочей температуры-го ППМ, измеренной в процессе эксплуатации АФАР  (,),
При этом формулы расчета ДН АФАР имеют вид
Технический результат предлагаемого решения заключается в исключении измерений ДН АФАР во всём диапазоне рабочих температур в режимах приема и передачи.
Сущность предлагаемого способа измерения характеристик ДН АФАР c учетом температур поясняется фиг. 1, на которой представлена структурная схема проведения измерений комплексных парциальных ДН антенных элементов при работе АФАР на прием/передачу.
На фиг.1 приняты следующие обозначения:
1 - персональный компьютер (ПК), осуществляющий управление процессом измерений, обработки результатов измерений с получением:
коэффициентов передачи приемных и передающих каналов,
калибровочных коэффициентов каналов приема и передачи,
ДН приемных каналов,
амплитуд сигнала на выходе передающих каналов в режиме передачи,
ДН АФАР в режиме приема и передачи на заданное направление ,
2 – коммутатор сигнала несущей (Ком),
3 – циркулятор (Цирк),
4 – вспомогательная антенна (ВсА),
5 - АФАР,
5.1 - сборка приемопередающих модулей (ППМ n) с датчиками температуры (ДТn),
5.2 – приемопередающий модуль,
5.3 – датчик температуры,
5.4 – антенный элемент,
5.5 - формирователь сигнала несущей частоты (ФСН),
6 – измеритель комплексной амплитуды сигнала (ИзмКА),
7 – делитель мощности (ДМ),
8 – вентиль (В),
9 – опорно-поворотное устройство (ОПУ),
Измерения комплексных парциальных ДН антенных элементов при работе АФАР на прием/передачу производятся с помощью установки на фиг.1, размещенной в безэховой камере без термостабилицации. Установка работает в двух режимах: калибровка каналов приема и калибровка каналов передачи АФАР.
Измерения выполняются в дальней зоне антенных элементов АФАР. Это предполагает, что расстояние между вспомогательной антенной и исследуемой АФАР больше минимально допустимого расстояния
D
где – наибольший из габаритных размеров антенных элементов АФАР.
Предполагается, что до начала измерений АФАР 5 устанавливается на аттестованное по координатам посадочное место опорно-поворотного устройства 9, взаимные координаты опорно-поворотного устройства 9 и вспомогательной антенны 4 известны и аттестованы в единой прямоугольной системе координат. Персональный компьютер 1 по заложенной программе вычисляет текущие координаты антенных элементов  АФАР 5 в единой прямоугольной системе координат при любой ориентации посадочного места опорно-поворотного устройства 9 по углам (
Начальная ориентация оси АФАР 5, которая совпадает с нормалью к раскрыву АФАР, проведенной из предварительно вычисленного фазового центра опорного (далее, в качестве опорного будет использоваться первый антенный элемент) антенного элемента АФАР, выставляется с помощью опорно-поворотного устройства 9 в нулевое угловое направление, совпадающее с направлением на вспомогательную антенну 4. При этом оси вращения ОПУ 9 должны исходить из предварительно вычисленного фазового центра первого антенного элемента АФАР 5.
n
В режиме калибровки приемных каналов АФАР 5 персональный компьютер 1 через коммутатор сигнала несущей частоты 2 и циркулятор 3 подает тест сигнал на вспомогательную антенну 4, включает калибруемый приемный канал АФАР и отключает все остальные. Излученный вспомогательной антенной 4 сигнал несущей частоты принимается -м калибруемым приемным каналом сборки 5.1 АФАР, измеряется его комплексная амплитуда и выдается совместно с данными о температуре ППМ в персональный компьютер 1. Во время калибровки приемных каналов АФАР 5 персональный компьютер 1 по программе вводит:
n
в АФАР 5 номер калибруемого приемного канала , требуемые значения фазового сдвига  и затухания сигнала в соответствующем приемнике ППМ,
в ОПУ 9 требуемую ориентацию оси АФАР 5
n
n
Температура ППМ АФАР 5  измеряется датчиком температуры ДТ , размещенным в характерной точке -го ППМ. Измерения , выполненные АФАР 5 при калибровке приемных каналов, принимаются персональным компьютером 1, записываются и используются далее в расчетах характеристик ДН АФАР c учетом температур.
В режиме калибровки передающих каналов АФАР 5 персональный компьютер 1 через коммутатор сигнала несущей частоты 2 отключает прохождение тест сигнала несущей частоты через циркулятор 3 на вспомогательную антенну 4. Во время калибровки персональный компьютер 1 по программе вводит:
n
в АФАР 5 номер калибруемого передающего канала , требуемые значения фазового сдвига  и затухания сигнала в калибруемом передающем канале,
в ОПУ 9 требуемую ориентацию оси АФАР.
n
n
n
В процессе калибровки передающих каналов АФАР 5 измеритель комплексной амплитуды 6 измеряет комплексную амплитуду сигнала , принятого вспомогательной антенной 4. Результаты измерения выводятся через шину данных в персональный компьютер 1 и запоминаются. Далее персональный компьютер 1 обрабатывает полученные данные с учетом введенных в него результатов измерения коэффициентов усиления ППМ при приеме и передаче в дискретном множестве рабочих температур . По результатам обработки определяются комплексные коэффициенты -го приёмного канала, пропорциональные комплексным множителям диаграммы направленности -го антенного элемента, комплексные коэффициенты передачи передающих каналов , преобразование их в комплексную амплитуду сигналов на выходах передающих каналов ППМ в режиме передачи . На основании их персональный компьютер 1 вычисляет ДН АФАР на заданное направление (при приеме (и передаче ( с учетом измеренной температуры -го ППМ .
Сущность предлагаемого способа измерения характеристик ДН АФАР заключается в следующем.
Перед сборкой АФАР выполняют измерения калибровочных коэффициентов передачи каждого ППМ в режиме приема  и передачи  в дискретном множестве температур эксплуатации  c шагом выборки по температуре  в том числе на температуре  на которой выполняются настройка и калибровка собранной АФАР в условиях завода-изготовителя. Все измерения проводятся в расчетном диапазоне входных сигналов, соответствующем условиям эксплуатации;
Собирают АФАР 5 и размещают на опорно-поворотном устройств. Опорно-поворотное устройство 9 и вспомогательная антенна 4 на фиг. 1 размещены в безэховой камере в фиксированных, аттестованных по координатам местах.
Ориентируют ось АФАР с помощью опорно-поворотного устройства в исходное нулевое угловое направление, совпадающее с направлением на вспомогательную антенну.
Определяют координаты антенных элементов АФАР (,) в исходном направлении оси АФАР  и вспомогательной антенны (, в единой прямоугольной системе координат;
Излучают вспомогательной антенной электромагнитное поле в направлении исследуемой АФАР;
Принимают сигналы, излученные вспомогательной антенной, приемными каналами АФАР и измеряют их комплексную амплитуду ;
n
Измеряют при температуре относительный комплексный коэффициент -го канала АФАР при неподвижном опорно-поворотном устройстве путем усреднения измерений, полученных при всех возможных настройках фазовращателя и аттенюатора приемного канала
, (7)
i
где  – комплексная амплитуда сигнала на выходе -го приемного канала,
< > – знак усреднения;
n
n
По данным о координатах антенных элементов АФАР (,) при нулевом направлении оси АФАР  и вспомогательной антенны (, определяют разность хода электромагнитных волн от вспомогательной антенны до первого и каждого -го антенного элемента ,  = 1,2,3,…,N;
n
Определяют фазовый набег электромагнитных волн в точке расположения -го антенного элемента с координатами (,) относительно первого антенного элемента с координатами (,):
=; (8)
n
Выполняют расчет калибровочных коэффициентов -го канала АФАР относительно первого канала в режиме приема  при температуре
exp (9)
Измеряют зависимость относительного комплексного коэффициента каждого приемного канала  от углового направления , используя вращение АФАР с помощью опорно-поворотного устройства;
Измеряют зависимость комплексного коэффициента передачи первого приемного канала  от углового направления , используя вращение АФАР с помощью опорно-поворотного устройства, и нормируют эту зависимость на максимальное значение
; (10)
n
n
Формируют комплексные коэффициенты -го приёмного канала, пропорциональные комплексным множителям диаграммы направленности первого антенного элемента , с учетом относительных комплексных коэффициентов , комплексных калибровочных коэффициентов -го канала  и сферичности фазового фронта принятой электромагнитной волны
, (11)
n
где  – расстояние между -м и первым антенным элементом АФАР,
n
– угол между нормалью к раскрыву АФАР и направлением на вспомогательную антенну из точки расположения -го антенного элемента АФАР;
n
Определяют ДН АФАР в режиме приема на основе математической модели по данным сформированных комплексных диаграмм направленности приемных каналов c учетом температуры каждого -го приемника ППМ
() (12)
где  – требуемое направление оси ДН АФАР,
N
– число антенных элементов АФАР;
n
– диаграммообразующий коэффициент АФАР на прием сигнала с требуемого углового направления, учитывающий расположение -го антенного элемента в единой прямоугольной системе координат;
С помощью опорно-поворотного устройства возвращают ось АФАР в исходное нулевое угловое направление, совпадающее с направлением на вспомогательную антенну;
Подключают формирователь сигналов поочередно ко входу каждого передающего канала АФАР;
n
Измеряют при температуре относительный комплексный коэффициент -го канала АФАР при неподвижном опорно-поворотном устройстве путем усреднения измерений, полученных при всех возможных настройках фазовращателя и аттенюатора передающего канала
, (13)
n
где  – комплексная амплитуда сигнала на выходе вспомогательной антенны, принятого от -го передающего канала АФАР;
n
Выполняют расчет калибровочных коэффициентов -го канала АФАР относительно первого канала в режиме передачи  при температуре ППМ
exp (14)
Вычисляют диаграмму направленности АФАР при рабочей температуре ППМ  в режиме передачи в виде суммы взвешенных комплексных диаграмм направленности приемных каналов
() (15)
Предлагаемое решение за счет измерения калибровочных коэффициентов каждого приемо-передающего модуля в режиме приема  и передачи  в дискретном множестве рабочих температур позволяет исключить измерения ДН АФАР в сборе в диапазоне рабочих температур как на заводе изготовителе, так и в условиях эксплуатации. При этом снижаются затраты, связанные с созданием громоздкой, дорогостоящей безэховой термокамеры с радиопрозрачным окном, в которой должны размещаться дистанционно управляемое опорно-поворотное устройство и АФАР.
Предлагаемый способ калибровки АФАР в дискретном множестве рабочих температур распространяется на калибровку АФАР в дискретном множестве рабочих частот и имеет изобретательский уровень, поскольку подобные технические решения в патентных и научных публикациях не обнаружены.
Предлагаемый способ промышленно применим, так как для его реализации могут быть использованы типовые приборы, широко используемые при настройках и измерениях устройств радиоэлектроники.