Способ и устройство для калибровки приемно-передающей активной фазированной антенной решетки
METHOD AND DEVICE FOR CALIBRATING TRANSCEIVING ACTIVE PHASED ANTENNA ARRAY

Изобретение относится к антенной технике, а именно к области фазированных антенных решеток (ФАР), обеспечивающих формирование диаграммы направленности (ДН) заданной формы, угловое положение которой в пространстве изменяется электрическим путем, и используемых в системах связи, радиоэлектронного противодействия, радиотехнической разведки, а в основном - в радиолокации.
В настоящее время широко используются активные ФАР (АФАР), в которых к каждому излучателю (антенному элементу) подключены приемно-передающие модули (НИМ), в состав каждого из которых входят передающий и приемный каналы, при этом в передающий канал входят фазовращатель, аттенюатор, усилитель мощности, согласующие цепи. В приемный канал входят малошумящий усилитель (МШУ), преобразователь частоты, усилитель промежуточной частоты, фазовращатель, аттенюатор. В АФАР с цифровым формированием диаграммы направленности в приемный канал может входить аналого-цифровой преобразователь (АЦП) с выделением квадратурных составляющих комплексной амплитуды выходного напряжения. В качестве излучателей в зависимости от диапазона волн применяются рупоры, щелевые излучатели, полуволновые вибраторы и т.п. Развязка между передающим и приемным каналами осуществляется с помощью быстродействующего переключателя «прием-передача» (ПП), в качестве которого чаще всего используется ферритовый циркулятор. Элементы, образующие каждый ППМ, не являются абсолютно идентичными. Они имеют отклонения параметров от номинального значения, вызванного производственным разбросом, температурными воздействиями, старением и т.д. В результате амплитуды и фазы выходных сигналов и передающих, и приемных каналов ППМ будут отличаться от расчетных значений, что вызовет ошибки в амплитудно-фазовом распределении поля на раскрыве АФАР относительно расчетных значений и приведет к снижению коэффициента использования площади раскрыва АФАР, коэффициента направленного действия антенны, росту уровня боковых лепестков ДН. Для сохранения расчетных параметров АФАР в процессе эксплуатации необходимо периодически проводить контроль параметров ППМ и проводить их калибровку для восстановления идентичности их комплексных коэффициентов передачи.
Известен способ встроенного контроля характеристик ФАР, изложенный в книге [1, с. 18-21], основанный на последовательной коммутации фазовращателей и приеме излучаемого сигнала вспомогательной антенной. Основным недостатком данного способа является необходимость использования вспомогательной антенны, отнесенной от контролируемой АФАР на расстояние дальней зоны, что не всегда возможно при установке АФАР на подвижных носителях, а также при калибровке крупноапертурных АФАР. Таким же недостатком обладает способ встроенного контроля характеристик ФАР, изложенный в [2], в котором тоже используется последовательная коммутация фазовращателей и прием излучаемого вспомогательной антенной сигнала. Известен способ калибровки антенной решетки [3], в котором для калибровки передающего канала каждого ППМ поочередно подают контрольный сигнал на вход передающего канала каждого ППМ, измеряют сигнал, передаваемый каждым передающим каналом, формируют корректирующие коэффициенты для передающего канала каждого ППМ на основе результатов измерений, корректирующие коэффициенты используют для регулировки амплитуды и фазы передаваемых сигналов. Для калибровки приемного канала каждого ППМ поочередно подают контрольный сигнал на вход приемного канала каждого ППМ, измеряют сигнал на выходе приемного канала каждого ППМ, на основе результатов измерений формируют корректирующие коэффициенты, которые используют для регулировки амплитуды и фазы сигналов на выходах соответствующих приемных каналов ППМ. Основным недостатком данного способа калибровки антенной решетки является необходимость использования сложной высокоточной измерительной аппаратуры, поскольку в процессе калибровки необходимо измерять абсолютные значения амплитуды и фазы сигналов на выходах калибруемых передающих и приемных каналов ППМ, что, в конечном счете, снижает точность калибровки АФАР.
Этот недостаток частично устранен в способе калибровки АФАР [4], наиболее близком к предлагаемому способу и принятом в качестве прототипа, в котором калибровка приемных каналов ППМ осуществляется парами в режиме приема, а калибровка передающих каналов также осуществляется парами в режиме передачи, в процессе калибровки измеряют разность фаз и амплитуд на выходах приемных и передающих каналов калибруемых ППМ относительно амплитуды и фазы сигнала на выходе соответственно приемного и передающего канала опорного ППМ, в качестве которого для калибровки всех ППМ используется один и тот же ППМ, например, первый. Сначала осуществляется калибровка приемного канала ППМ, затем - передающего, причем для калибровки передающего канала используется контрольный сигнал, прошедший через приемный канал ППМ. Предполагается, что поскольку приемный канал уже откалиброван, амплитуда и фаза сигнала на выходе передающего канала будет определяться только его параметрами. Однако при калибровке передающего канала калибруемого ППМ контрольный сигнал проходит через элементы приемного канала, минуя малошумящий усилитель.
-20
-18
Выбранный в качестве прототипа способ калибровки АФАР имеет следующие недостатки. Во-первых, он обеспечивает низкую точность калибровки передающего канала ППМ, так как при его калибровке контрольный сигнал проходит минуя малошумящий усилитель, а поступает непосредственно на последовательно соединенные второй аттенюатор и второй фазовращатель, которые при калибровке приемного канала были установлены в положения, компенсирующие отличия модуля и аргумента комплексного коэффициента усиления малошумящего усилителя калибруемого ППМ от соответствующих значений комплексного коэффициента усиления малошумящего усилителя опорного ППМ. Устранение этого недостатка путем подачи контрольного сигнала с выхода усилителя мощности на вход малошумящего усилителя даже при затухании в направленном ответвителе в 40…60 дБ (как указано в описании к прототипу) не представляется возможным, так как мощность сигнала на выходе усилителя мощности может составлять десятки и даже сотни ватт, в то время как мощность сигнала на входе МШУ составляет 10…100 Вт [5], что приведет к ограничению контрольного сигнала в малошумящем усилителе и сделает невозможной калибровку передающего канала ППМ. Во-вторых, в качестве опорного ППМ в прототипе используется любой ППМ. В качестве примера в описании прототипа принят первый, что предполагает создание равноамплитудного распределения поля на раскрыве антенны, которое обеспечивает максимальное значение коэффициента направленного действия антенны в режиме передачи и максимальное значение эффективной площади в режиме приема, однако в этом случае имеет место и максимальное значение уровня боковых лепестков диаграммы направленности, что приводит к снижению скрытности и помехозащищенности радиотехнической системы. Поэтому на практике применяют спадающее к краям апертуры амплитудное распределение, что обеспечивает минимум боковых лепестков диаграммы направленности при допустимом снижении коэффициента направленного действия либо допустимый уровень боковых лепестков диаграммы направленности при максимальном значении коэффициента направленного действия (например, так называемое дольф-чебышевское амплитудное распределение) [6]. В-третьих, область применения прототипа ограничена только возможностью использования в приемно-передающих АФАР, что характерно в основном для радиолокации и радиосвязи, так как калибровка передающих и приемных каналов ППМ осуществляется совместно. В то же время широко применяются радиотехнические системы с АФАР, которые работают либо только в режиме излучения (например, станции активных помех), либо только в режиме приема (станции радиотехнической разведки). Кроме того, в некоторых РЛС функции излучения и приема разделены между соответствующими антеннами.
Задачами изобретения являются: повышение точности калибровки передающего канала приемно-передающего модуля АФАР; создание необходимого закона амплитудного распределения поля на апертуре АФАР для достижения оптимального соотношения между коэффициентом направленного действия антенны и уровнем боковых лепестков диаграммы направленности; расширение области применения способа для калибровки не только приемно-передающих АФАР, но и передающих и приемных АФАР.
Для решения указанных задач калибровка приемных каналов приемно-передающих модулей осуществляется парами в режиме приема, при этом контрольный сигнал снимается с выходов приемных каналов приемно-передающих модулей, калибровка передающих каналов приемно-передающих модулей осуществляется парами в режиме передачи, при этом контрольный сигнал снимается с выходов передающих каналов приемно-передающих модулей, в процессе калибровки измеряют сдвиг по фазе и сравнивают амплитуды сигналов с выходов калибруемых приемно-передающих модулей относительно амплитуды и фазы сигнала на выходе опорного приемно-передающего модуля. По результатам сравнения амплитуд и фаз выходных сигналов приемного и передающего каналов каждого калибруемого ППМ АФАР с амплитудой и фазой выходных сигналов соответствующих каналов опорного ППМ формируются корректирующие сигналы, которые используются для регулировки параметров соответственно приемных и передающих каналов калибруемых приемно-передающих модулей АФАР, причем калибровка приемных и передающих каналов ППМ АФАР осуществляется раздельно, т.е. при калибровке приемного канала контрольный сигнал проходит только через элементы приемного канала соответствующего калибруемого ППМ, а при калибровке передающего канала контрольный сигнал проходит только через элементы передающего канала соответствующего калибруемого ППМ АФАР, что исключает влияние параметров приемного канала (в частности фазовращателя и аттенюатора приемного канала) на результаты калибровки передающего канала калибруемого ППМ, что приводит к повышению точности калибровки передающих каналов калибруемых ППМ по сравнению со способом калибровки по прототипу. Кроме того, в качестве опорного выбирается центральный ППМ АФАР, т.е. располагаемый в центре апертуры АФАР, что позволяет при калибровке АФАР коэффициенты передачи передающих и приемных каналов калибруемых ППМ регулировать таким образом, чтобы обеспечить требуемый закон амплитудного распределения поля на апертуре АФАР как в режиме передачи, так и в режиме приема для обеспечения оптимального соотношения между коэффициентом направленного действия антенны и уровнем боковых лепестков диаграммы направленности. Проведенный сравнительный анализ заявленного способа калибровки активной фазированной решетки и прототипа показывает, что заявленный способ отличается тем, что, во-первых, в прототипе при калибровке передающего канала каждого ППМ АФАР контрольный сигнал проходит не только через элементы передающего канала, но и через элементы приемного канала минуя малошумящий усилитель, при этом элементы регулировки комплексного коэффициента передачи приемного канала вносят погрешность в результаты калибровки передающего канала, что приводит к снижению точности калибровки передающих каналов калибрируемых ППМ АФАР. В заявленном способе калибровка приемных и передающих каналов ППМ производится независимо одна от другой, т.е. при калибровке приемного канала контрольный сигнал проходит только через элементы соответствующего приемного канала, а при калибровке передающего канала контрольный сигнал проходит только через элементы передающего канала, что исключает влияние элементов регулировки приемного канала на регулировку параметров передающего канала, что по сравнению с прототипом приводит к повышению точности калибровки передающих каналов калибруемых ППМ АФАР. Кроме того, независимая калибровка передающих и приемных каналов ППМ АФАР расширяет область возможных применений способа калибровки, т.е. он может применяться не только для калибровки приемно-передающих АФАР, но и для калибровки как передающих, так и приемных АФАР. Во-вторых, в прототипе в качестве опорного приемно-передающего модуля используется любой модуль (например, первый), что предполагает обеспечение одинаковых значений комплексных коэффициентов передачи передающих и приемных каналов всех ППМ, т.е. равномерное амплитудно-фазовое распределение поля на апертуре антенны как в режиме передачи, так и в режиме приема. В этом случае, как известно из теории антенн, коэффициент использования площади апертуры антенны равен единице, т.е. максимально значение эффективной площади антенны, что важно при работе антенны в режиме приема, и максимальное значение коэффициента направленного действия, что важно при работе антенны в режиме передачи. Однако при этом имеет место и максимальное значение уровня боковых лепестков диаграммы направленности: так, уровень первого бокового лепестка составляет -13,3 дБ. Поэтому для снижения уровня боковых лепестков диаграммы направленности применяют спадающее по определенному закону симметричное относительно центра апертуры амплитудное распределение поля. Так в [6, с. 34-38] приведены различные законы амплитудного распределения поля на апертуре антенны, обеспечивающие различные соотношения между уровнем боковых лепестков и коэффициентом использования площади апертуры антенны. Предложение использовать центральный ППМ в качестве опорного позволяет задать любой симметричный закон амплитудного распределения поля на апертуре и обеспечить оптимальное, для конкретной сигнальной и помеховой радиоэлектронной обстановки, соотношение между коэффициентом направленного действия антенны и уровнем боковых лепестков диаграммы направленности.
Техническим результатом изобретения является повышение точности калибровки передающих каналов ППМ АФАР, обеспечение оптимального для конкретной радиоэлектронной обстановки соотношения между коэффициентом направленного действия антенны и уровнем боковых лепестков ее диаграммы направленности, а также расширение области применения способа калибровки.
Сущность изобретения иллюстрируется фигурой 1, на которой приведена структурная схема устройства, реализующего заявленный способ калибровки АФАР.
По предлагаемому способу выполняют следующую последовательность операций: для калибровки приемных каналов подают контрольный сигнал на вход приемного канала в режиме приема каждого приемно-передающего модуля, при этом контрольный сигнал проходит только через приемные каналы всех ППМ; сравнивают по очереди параметры сигналов с выходов всех калибруемых приемных каналов ППМ с параметрами сигнала на выходе приемного канала опорного ППМ, при этом измеряют разность фаз и отношение амплитуд, формируют на основе измерений корректирующие коэффициенты для приемного канала каждого ППМ, которые используются для регулировки комплексных коэффициентов передачи приемных каналов калибруемых ППМ, реализующих заданный закон амплитудно-фазового распределения поля на апертуре АФАР в режиме приема; для калибровки передающих каналов подают контрольный сигнал на вход передающего канала в режиме передачи каждого приемно-передающего модуля, при этом контрольный сигнал проходит только через передающие каналы всех ППМ; сравнивают по очереди параметры сигналов с выходов всех калибруемых передающих каналов ППМ с параметрами сигнала на выходе передающего канала опорного ППМ, при этом измеряют разность фаз и отношение амплитуд, формируют на основе измерений корректирующие коэффициенты для передающего канала каждого ППМ, которые используются для регулировки комплексных коэффициентов передачи передающих каналов калибруемых ППМ, реализующих заданный закон амплитудно-фазового распределения поля на апертуре АФАР в режиме передачи. При этом очередность калибровки передающих и приемных каналов ППМ АФАР не имеет значения, так как их калибровка проводится независимо одна от другой.
Устройство для калибровки АФАР содержит N одинаковых приемно-передающих модулей 1 с излучателями 2, общий для всех ППМ коммутатор 3, блок управления 4 и делитель мощности 6. Входы общего коммутатора 3 с нулевого по (N-1)-й соединены с выходами соответствующих ППМ, первый и второй выходы, а также управляющий вход общего коммутатора 3 соединены с первым и вторым измерительными входами и первым управляющим выходом блока управления 4. Второй выход блока управления 4 посредством магистрали управления АФАР 5 (на фиг. 1 показана жирной линией) соединен с управляющими входами каждого ППМ. Третий выход блока управления 4 соединен с входом делителя мощности 6, выходы которого с нулевого по (N-1)-й соединены с входами соответствующих ППМ. Общий коммутатор 3, блок управления 4 и делитель мощности 6 выполнены и работают так же, как и соответствующие блоки прототипа. Каждый ППМ содержит первый коммутатор 7, вход которого является входом ППМ, первый выход подключен к последовательно соединенным первому фазовращателю 8, первому аттенюатору 9, усилителю мощности 10, циркулятор 11, направленный ответвитель 12, и излучатель 2. Второй выход циркулятора 11 подключен к последовательно соединенным малошумящему усилителю 13, второму аттенюатору 14, второму фазовращателю 15, первому входу дополнительного коммутатора 16, второй вход которого соединен с выходом второго коммутатора 17, а выход дополнительного коммутатора 16 является выходом ППМ. Контрольный двунаправленный вход-выход направленного ответвителя 12 соединен с первым двунаправленным входом-входом второго коммутатора 17, а второй вход второго коммутатора 17 соединен со вторым выходом первого коммутатора 7. Первый, второй, третий, четвертый, пятый, шестой и седьмой выходы контроллеров 18 в каждом ППМ соединены с управляющими входами первого коммутатора 7, второго коммутатора 17, дополнительного коммутатора 16, первого фазовращателя 8, первого аттенюатора 9, второго фазовращателя 15 и второго аттенюатора 14 (указанные связи на схеме не показаны, чтобы не загромождать чертеж). Вход и выход интерфейса управления контроллера 18 соединены через трансивер 19 с магистралью управления АФАР. Отличительными признаками заявленного устройства от устройства по прототипу являются: включение в состав каждого ППМ дополнительного коммутатора 16, его связи с выходом второго фазовращателя 15, с выходом ППМ, с выходом второго коммутатора 17, второй вход которого связан со вторым выходом первого коммутатора 7, первый выход которого соединен со входом первого фазовращателя, а вход является входом ППМ. Указанные отличия обеспечивают калибровку передающего канала каждого ППМ независимо от результатов калибровки соответствующего приемного канала, что исключает влияние приемного канала на результаты калибровки передающего канала, что приводит к повышению точности калибровки передающего канала каждого ППМ по сравнению с прототипом. Устройство, реализующее предлагаемый способ калибровки АФАР, работает следующим образом. Очередность калибровки приемного и передающего каналов в каждом ППМ в отличие от прототипа не имеет значения, так как они проводятся независимо одна от другой. Первый коммутатор 7, второй коммутатор 17 и дополнительный коммутатор 16 обеспечивают прохождение контрольного сигнала при калибровке передающего канала только через элементы передающего канала, а при калибровке приемного канала - только через элементы приемного канала, о чем подробнее излагается ниже. При калибровке передающего канала контрольный сигнал с выходов делителя мощности 6 поступает на соответствующие входы опорного и (N-1) калибруемых ППМ, проходит через первый коммутатор 7, первый фазовращатель 8, первый аттенюатор 9, усилитель мощности 10, циркулятор 11, направленный ответвитель 12, второй коммутатор 17, дополнительный коммутатор 16 и поступает через коммутатор 3 на измерительные входы блока управления 4. При прохождении контрольного сигнала через передающий канал i-го калибруемого ППМ он приобретает сдвиг по фазе  и амплитуду . Аналогично при прохождении через передающий канал опорного (нулевого) ППМ он приобретает сдвиг по фазе  и амплитуду . В блоке управления 4 определяется разность фаз  между сигналами на выходах передающего канала i-го калибруемого ППМ и опорного (нулевого) ППМ  и отношение амплитуд в децибелах
где  - коэффициент амплитудного распределения поля на апертуре АФАР, обеспечивающего заданное соотношение между коэффициентом направленного действия антенны и уровнем боковых лепестков диаграммы направленности в режиме передачи. Результаты вычислений  и  из блока управления 4 по магистрали управления АФАР 5 через трансивер 19 поступают в контроллер 18, где формируются цифровые команды управления первым фазовращателем 8 и первым аттенюатором 9. При калибровке приемного канала контрольный сигнал с выходов делителя мощности 6 поступает на соответствующие входы опорного и калибруемых ППМ, проходит через первый коммутатор 7, второй коммутатор 17, направленный ответвитель 12, циркулятор 11, малошумящий усилитель 13, второй аттенюатор 14, второй фазовращатель 15, дополнительный коммутатор 16 и поступает через коммутатор 3 на измерительные входы блока управления 4. Во время прохождения через приемный канал i-го калибруемого ППМ он приобретает сдвиг по фазе  и амплитуду . В блоке управления 4 определяется разность фаз  между сигналами на выходах приемного канала i-го калибруемого ППМ и опорного (нулевого) ППМ  и отношение амплитуд в децибелах
где  - коэффициент амплитудного распределения поля на апертуре АФАР, обеспечивающего заданное соотношение между коэффициентом направленного действия антенны и уровнем боковых лепестков диаграммы направленности в режиме приема. Результаты вычислений  и  по магистралям управления АФАР 5 через трансивер 19 поступают в контроллер 18, где формируются цифровые команды управления вторым фазовращателем 15 и вторым аттенюатором 14.
Данный способ калибровки АФАР обеспечивает повышение точности калибровки передающего канала калибруемого ППМ, установку симметричного относительно центра апертуры АФАР закона амплитудного распределения поля на апертуре для достижения заданного (оптимального) соотношения между коэффициентом направленного действия и уровнем боковых лепестков диаграммы направленности.
Источники информации, использованные при составлении заявки:
1. Бубнов Г.Г., Никулин С.М., Серяков Ю.Н., Фурсов С.А. Коммутационный способ измерения характеристик фазированных антенных решеток. - М.: Радио и связь, 1988 г. - 120 с.
2. Патент РФ №2169376, G01R 29/10. Способ встроенного контроля характеристик фазированной антенной решетки / A.M. Голик, Д.Н. Заговенков, Ю.А. Клейменов, В.А. Кондрашин, Ф.И. Рябокобыла - №99126339/09; Заявлено 16.12.1999. - Опубликовано 20.06.2001.
3. Патент РФ №2147753, G01S 7/40. Способ калибровки антенной решетки / Б.Г. Йоханиссон, У. Фарссен. - №97100131/09; Заявлено 01.06.1995. - Опубликовано 20.04.2000.
4. Патент РФ №2467346, G01S 7/40. Способ калибровки активной фазированной антенной решетки / В.В. Задорожный, А.Ю. Ларин. - №2011127436/08; Заявлено 04.07.2011. - Опубликовано 20.11.2012 (прототип).
5. Шишов Ю.А., Ворошилов В.А., Ясенков Т.В. Особенности калибровки приемных антенных решеток РЛС дальнего обнаружения. - Труды XXVIII Всероссийского симпозиума «Радиолокационное исследование природных сред» // Том 2, СПб, ВКА имени А.Ф. Можайского, 2013 г., с. 127-135.
6. Антенны и устройства СВЧ. Проектирование фазированных антенных решеток. / Под ред. Д.Н. Воскресенского. - М.: Радио и связь, 1994 г. - 592 с.