Методы измерения параметров и диагностики отказов фазированной антенной решётки в ближней зоне без применения механических позиционеров

| ISSN 2221-1179 Вестник Концерна ПВО «Алмаз - Антей» | №3, 2015

| Электроника. Радиотехника |

УДК 621.396.67

© Н. Э. Ненартович, В. А. Балагуровский, А. О. Маничев, 2015 Методы измерения параметров и диагностики отказов фазированной антенной решётки в ближней зоне без применения механических позиционеров

Рассмотрена задача измерения параметров фазированных антенных решёток без механического перемещения испытуемой и/или вспомогательной антенн. Приведены примеры, демонстрирующие высокую эффективность и практическую значимость данного подхода к осуществлению измерений.

Ключевые слова: фазированная антенная решётка, коммутационный метод измерения.

Введение

Фазированные антенные решётки (ФАР) представляют собой сложные технические устройства. В отличие от многих других антенн они могут существенно изменять форму и направление главного луча диаграммы направленности (ДН), в связи с чем объём измерений для достаточно полной оценки характеристик ФАР, как правило, заметно превышает объём данных, требуемых для антенн с неизменной формой ДН. Поэтому измерение параметров и диагностика требуют проведения измерений большого числа характеристик с весьма высокой точностью и скоростью.

Большой практический интерес представляет измерение параметров ФАР в ближней зоне, т. к. это позволяет выполнять работы на компактных антенных полигонах, закрытых от негативного влияния факторов окружающей среды (температура, осадки, ветер), а также заметно облегчает решение задачи электромагнитной совместимости при выполнении измерений.

Измерения в ближней зоне нередко производятся методами, основанными на использовании теоремы эквивалентности и включающими измерение параметров поля вблизи испытуемой антенны на некоторой поверхности. При таких измерениях обычно происходит механическое перемещение испытуемой и/или вспомогательной антенны друг относительно друга. Для позиционирования испытуемой антенны обычно используется опорно-поворотное устройство (ОПУ), а вспомогательной - механический позиционер (сканер), перемещающий её вдоль одной или двух ортогональных осей.

Реализация измерений с использованием механических позиционирующих устройств сопряжена с рядом технических трудностей:

1) вносятся неизбежные погрешности позиционирования, вызванные, например, выносом фазового центра антенны перед точкой пересечения осей ОПУ, отклонениями от ортогональности координатных осей ОПУ или сканера и т. п.;

2) измерения выполняются с довольно низкой скоростью. Это связано с необходимостью выполнения прецизионного механического перемещения антенн;

3) необходимо обеспечивать высокую стабильность амплитуды и фазы коэффициента передачи в СВЧ тракте между входами измерительной техники и антеннами при их различных положениях;

4) возникают паразитные отражения от конструкции сканера, позиционирующего зонд;

5) для применения указанных методов измерения в процессе испытаний активных ФАР (АФАР) в передающем режиме необходимо, чтобы все элементы ФАР излучали мощность одновременно. Это создаёт серьёзные проблемы по защите персонала и техники от воздействия электромагнитного излучения большой мощности.

Вместе с тем особенности ФАР позволяют измерять многие важные параметры без механического перемещения.

1. Коммутационные методы измерения параметров ФАР

Широкий спектр применения имеют коммутационные методы измерения параметров ФАР, активно развивающиеся на протяжении последних пяти десятилетий [1-4]. Для их реализации, как правило, требуется лишь наличие небольшого зонда, неподвижно расположенного в ближней зоне ФАР, анализатор цепей и стендовый компьютер (типичная измерительная установка представлена на рис. 1). Можно

36

| ISSN 2221-1179 Вестник Концерна ПВО «Алмаз - Антей» | №3, 2015

Рис. 1. Внешний вид измерительной установки

выделить следующие основные операции этих методов:

1) измерение суммарного сигнала от всех элементов ФАР;

2) изменение состояния одного или нескольких фазовращателей ФАР;

3) повторение операций (1) и (2) при различных состояниях фазовращателей ФАР;

4) определение комплексных значений возбуждения каждого элемента при помощи математической обработки результатов измерений.

1.1. Измерение ДН ФАР при помощи коммутационных методов

Можно с достаточно высокой для практики точностью определять ДН ФАР в произвольных направлениях при помощи следующей математической модели ФАР [3]. ДН плоской

ФАР f (0, ф) в направлении, задаваемом углами (0,ф), может быть определена следующим образом [5]:

де, ф)=/е1 (0, e

j

,

n=1

где fel (0, ф) - ДН элемента в составе ФАР; An - амплитуда n-го элемента; yn - фаза возбуждения n-го элемента; xn, yn - координаты n-го элемента;

k=2p/1 ;

N - число элементов в ФАР.

Из (1) видно, что для определения ДН ФАР достаточно знать значения ДН элемента в составе ФАР и амплитудно-фазовое распределение (АФР) в её апертуре. ДН элемента можно получить один раз в отдельном эксперименте, например, со сравнительно небольшим фрагментом апертуры ФАР. Для измерения АФР можно применить коммутационный метод измерений с коррекцией результатов, учитывающей разность хода сигнала от разных элементов до вспомогательной антенны и разброс амплитуд, вызванный различной взаимной ориентацией разных излучателей ФАР относительно вспомогательной антенны.

При этом следует отметить, что использование в качестве вспомогательной антенны коллиматора позволяет избавиться от необходимости коррекции амплитуд и фаз, что значительно облегчает задачу определения ДН ФАР [6].

1.2. Измерение характеристик возбуждений элементов ФАР

Для управления ФАР (реализации требуемого АФР) необходимо знать, какое комплексное значение возбуждения имеет каждый элемент при каждом значении кода (управляющего воздействия). Задача определения таких характеристик может решаться путём помещения согласованного зонда поочерёдно на каждый из элементов ФАР. Однако этот процесс является очень трудоёмким и затратным по времени из-за достаточно большого числа дискретов фазирования и количества элементов в крупных ФАР.

При применении коммутационного метода измерений [3] характеристики возбуждений элементов ФАР могут быть измерены в автоматическом режиме с высокой скоростью.

Следует отметить, что обычно характеристики элементов надо знать для каждой рабочей частоты, следовательно, объём измерений растёт пропорционально числу используемых частот, что приводит к значительному увеличению времени измерений. Так как у современной измерительной техники удельная скорость измерений на одной частоте в режиме качания частоты заметно больше, чем в режиме непре-

37

| Электроника. Радиотехника |

| ISSN 2221-1179 Вестник Концерна ПВО «Алмаз - Антей» | №3, 2015

| Электроника. Радиотехника |

рывной генерации, то измерения характеристик предпочтительнее выполнять в режиме качания частоты. Это можно реализовать при соответствующем планировании эксперимента и модификации метода обработки измеренных данных [7, 8].

1.3. Измерение параметров взаимных связей элементов

Традиционные методы измерения коэффициентов взаимных связей (взаимных сопротивлений или проводимостей) подразумевают подключение источника СВЧ-сигнала и измерительного прибора напрямую к исследуемым элементам. Как правило, в реальной ФАР для этого требуется существенное изменение распределительной системы, т. е. такие измерения обычно удаётся проводить лишь на макетах фрагментов ФАР. Поскольку разработка и изготовление макетов требует существенных затрат времени и средств, то большой практический интерес представляют методы исследования взаимных связей элементов ФАР со штатной распределительной системой.

Применение таких средств цифровой обработки, как преобразования Фурье и Уолша - Адамара, позволяет выделять значения возбуждений отдельных элементов, и они могут эффективно использоваться для решения данной задачи [9, 10].

Кроме того, применение к спиральным неэквидистантным ФАР описанных в [3] методов цифровой обработки показало, что эффекты взаимных связей хорошо описываются с помощью аппарата статистической теории антенн, и параметры законов распределений случайных искажений с достаточной для практических целей точностью могут быть получены путём цифровой обработки результатов измерений [11, 12]. Например, исследование реальной антенны показало, что амплитудные и фазовые искажения АФР хорошо описываются нормальным законом распределения (рис. 2).

1.4. Диагностика отказов управляемых устройств элементов ФАР

Наличие в ФАР большого (от нескольких сотен до десятков тысяч) числа устройств с электронным управлением требует применения быстрых и точных методов диагностики их

Рис. 2. Плотность распределения вероятностей относительных амплитудных искажений для ФАР со спадающим амплитудным распределением от нормированной амлитуды (анорм=а/М{а}): х2 = 7,71, r = 10, р = 0,66

неисправностей. Так как напрямую подключить контрольно-измерительную аппаратуру к каждому элементу в условиях эксплуатации ФАР весьма затруднительно, то большой практический интерес представляет диагностика отказов элементов ФАР при помощи коммутационных методов измерения [4], которая не требует демонтажа распределительной системы и/или радиопрозрачного укрытия и может реализовываться с помощью штатных средств радиотехнической системы [13], что особенно важно в полевых условиях.

В случаях, когда ФАР находится в труднодоступных местах (например, на башенно-мачтовой конструкции корабля, на космическом аппарате) возникают технические трудности при размещении вспомогательной антенны перед апертурой ФАР. В этом случае для диагностики можно использовать подход, во многом похожий на коммутационный метод измерения, когда измеряются сигналы, отражённые от переходов «излучатель - свободное пространство» [14], а паразитные составляющие, вызванные наличием взаимных связей между элементами ФАР, фильтруются при по-

Рис. 3. Внешний вид испытуемой ФАР

38

| ISSN 2221-1179 Вестник Концерна ПВО «Алмаз - Антей» | №3, 2015

Рис. 4. Зависимость отношения амплитуд отражённых сигналов элементов

мощи специализированной многоуровневой обработки измеренных данных на основе преобразования Уолша - Адамара [15-17].

Возможности метода можно продемонстрировать на ФАР Z-диапазона со спадающим амплитудным распределением, которая состоит из четырех линеек по 16 излучателей. Каждый из излучателей представляет собой электрический вибратор специальной формы (рис. 3). График отношения амплитуд элементов ФАР, измеренных при наличии отказов (обрыв СВЧ-тракта у четырёх элементов - с 53-го по 56-й) и при внесении затухания величиной 10 дБ в СВЧ-тракты элементов 29...32), к тем же амплитудам, измеренным в исправном состоянии (рис. 4), показывает, что отказы уверенно диагностируются.

2. Измерение ДН путём электронного сканирования

Одним из вариантов работы в ближней зоне является использование коллиматора - устройства (как правило, параболической антенны), создающего в области испытуемой антенны поле с равномерным амплитудным и фазовым распределением. Благодаря встроенной способности ФАР управлять фазовым распределением возможно измерение её ДН путём электрического сканирования. Для реализации данного метода в апертуре ФАР создаётся при помощи её фазовращателей специальное фазовое распределение:

уn = -kxn sin 0 cosф- kyn sin 0 sin ф +

+ kxn sin O'cosф'+kyn sin O'sin ф'+у °n,

где (0, j) - углы, характеризующие физическую ориентацию ФАР;

У П - фазовое распределение, при котором необходимо измерить ДН;

(O', j') -виртуальные углы, в направлении которых требуется измерить ДН.

Подставив (2) в (1), получаем:

/(0, ф)/ (0, ф)£ A „ ej( k

j

n=1

Таким образом, если положение ФАР остаётся неизменным, то, изменяя углы (0', j') , используемые для формирования фазового распределения ФАР, можно измерять множитель решётки ФАР.

Данный метод имеет ряд важных практических преимуществ:

Рис. 5. Внешний вид испытуемой АФАР

39

| Электроника. Радиотехника |

| ISSN 2221-1179 Вестник Концерна ПВО «Алмаз - Антей» | №3, 2015

| Электроника. Радиотехника |

-45 -40 -35 -30 -25 -20 -15 -10 -5

0

5 10 15 20 25 30 35 40 град

Рис. 6. Расчётная и экспериментальная ДН АФАР:

ДН БП по характестикам, измеренным в БЭК с применением коммутационного метода

Рис. 7. Рабочее окно программы, выполнившей измерение и расчёт трёхмерной ДН АФАР

40

| ISSN 2221-1179 Вестник Концерна ПВО «Алмаз - Антей» | №3, 2015

измерения ДН выполняются с высокой скоростью, т к. отклонение луча ФАР занимает весьма малое время;

измеренная ДН косвенно демонстрирует значение фонового уровня ДН, вызванного случайными искажениями АФР ФАР;

появляется возможность измерять ДН в произвольных сечениях либо строить трёхмерные ДН.

Следует отметить, что если вместо коллиматора использовать рупор и создавать фокусирующее фазовое распределение, то можно быстро проверять работоспособность ФАР в полевых условиях [18].

Экспериментальные и расчётные ДН реальной антенны (рис. 5) представлены на рис. 6, 7. Видно, что применение при измерении электронного сканирования позволяет измерить ДН с высокой точностью. Различия ДН объясняются наличием фазовых искажений, вызванных дискретом фазирования и неточностью реализации заданных фазовых сдвигов. Заключение

Постоянно растущие требования к рабочим и эксплуатационным характеристикам ФАР ставят задачу повышения скорости и точности измерений её параметров. Рассмотренные методы представляют практический интерес по основным направлениям измерений и диагностики параметров ФАР.

Опыт авторов показывает, что эффективность решения данных задач в большинстве практически важных случаев существенно повышается путём применения методов цифровой обработки измеряемых данных. В некоторых случаях использование таких методов является единственно возможным практически реализуемым способом получить необходимую информацию.

Список литературы

1. Lowenschuss O. Patent US 3378846 “Method and apparatus for testing phased array antennas”, published Apr. 16, 1968, p. 8.

2. Леманский А. А, Рабинович В. С., Соколов

В. Г. Восстановление распределения поля в раскрыве решётки модуляционным способом // Радиотехника и электроника. 1976. Т. 21, №

3. С. 616-620.

3. Бубнов Г. Г, Никулин С. М., Серяков Ю. Н,

Фурсов С. А. Коммутационный метод измерения характеристик ФАР. М.: Радио и связь, 1988. 120 с.

4. Воронин Е. Н., Нечаев Е. Е, Шашенков В. Ф. Реконструктивные антенные измерения. М.: Наука. Физматлит, 1995. 352 с.

5. Сазонов Д. М. Антенны и устройства СВЧ. М.: Высш. шк., 1988. 432 с.

6. Балагуровский В. А., Кондратьев А. С, Сергеев Е. А., Маничев А. О. Способ определения диаграммы направленности фазированной антенной решётки: Пат. № 2, 343, 495 Российская Федерация; опубл. 10.01.09.

7. Маничев А. О., Захаров А. А. Метод многочастотного измерения параметров возбуждения элементов фазированной антенной решётки // Антенны. 2009. № 8. С. 23-32.

8. Маничев А. О., Захаров А. А. Многочастотный метод измерения амплитудно-фазового распределения фазированной антенной решётки // Радиолокационные системы специального и гражданского назначения 2010-2012: сб. докл. ХХ научно-технической конференции ОАО "НИИП им. Тихомирова", г. Жуковский, 10-12 марта 2010 г. / под ред. Ю. И. Белого. М.: Радиотехника, 2011. С. 677-684

9. Шифрин Я. С., Лиепинь У. Р., Головин Г. А. Экспериментальная оценка и использование матрицы взаимных связей излучателей в ФАР // Успехи современной радиоэлектроники. 2005. № 7. С. 3-9.

10. Лиепинь У. Р., Свитенко Н. И. Метод измерения диаграмм направленности излучателей в составе ФАР // Успехи современной радиоэлектроники. 2005. № 7. С. 10-13.

11. Балагуровский В. А, Кондратьев А. С, Маничев А. О., ПолищукН. П. Расчёт статистических характеристик погрешностей амплитудно-фазового распределения в многоэлементной фазированной антенной решетке // Антенны. 2008. № 2. С. 20-26.

12. Балагуровский В. А., Кондратьев А. С., Маничев А. О., Полищук Н. П. Экспериментальный метод решения внутренней прямой задачи статистической теории антенн (применительно к задаче повышения помехозащищённости антенных систем) // Морские комплексы и системы : юбилейная науч.-техн. конф. ОАО «МНИИРЭ «Альтаир». М.: ОАО "МНИИРЭ

41

| Электроника. Радиотехника |

| ISSN 2221-1179 Вестник Концерна ПВО «Алмаз - Антей» | №3, 2015

| Электроника. Радиотехника |

"Альтаир", 15-16 октября 2008 г. С. 42-43.

13. Зайцев Н. А., Наумов С. В., Волков С. А., Кислицын В. Ю, Ивашко А. М, Киреев И. С. Оценка комплексных амплитуд возбуждения каналов фазированной антенной решётки // III научно-техническая конференция ОАО «НИЭ-МИ», 18-20 ноября 2008 г. М.: ОАО "НИЭМИ", 2008. С. 13.

14. БалагуровскийВ. А,Маничев А. О, Кондратьев А. С, Захаров А. А. Патент РФ №2,413,345 «Способ диагностики состояния элементов фазированной антенной решётки»; опубл. 27.02.11, Бюл. № 6.

15. Manichev A. O, Balagurovskii V. A. Design of Experiments and Data Processing for Diagnostics of Phased Array Antenna Elements with the Use of Reflected Signals // Progress in Electromagnetics Research Symposium : международ. симпозиум, Москва, 19-23 августа 2012 г.

16. Маничев А. О., Балагуровский В. А. Методы

диагностики фазированной антенной решётки со взаимными связями по сигналам, отражённым от излучателей // Радиолокация и радиосвязь : сб. докл. VI Всероссийской конф. 19-22 ноября 2012 г., М.: ИРЭ им. В. А. Котельникова РА. С. 194-198.

17. Маничев А. О., Балагуровский В. А. Методы диагностики элементов фазированной антенной решетки по сигналам, отраженным от переходов излучатель - свободное пространство, при наличии взаимных связей элементов // Радиотехника и электроника. 2013. Т. 58, №

4. С. 348-359.

18. Scharfman W. E., August G. Pattern Measurements of Phased Arrayed Antennas by Focussing into the Near Zone // "Phased Array Antennas", Artech House, Norwood, Mass., 1972, P. 344-349.

Поступила 12.05.15

Ненартович Николай Эдуардович - кандидат технических наук, генеральный конструктор ОАО «ГСКБ «Алмаз-Антей», г. Москва.

Область научных интересов: разработка радиотехнических управляющих комплексов.

Балагуровский Владимир Алексеевич - начальник СКБ ОАО «ГСКБ «Алмаз-Антей», г. Москва.

Область научных интересов: разработка и измерение параметров фазированных антенных решёток.

Маничев Александр Олегович - начальник отдела ОАО «ГСКБ «Алмаз-Антей», г. Москва.

Область научных интересов: разработка и измерение параметров фазированных антенных решёток.

42