Способ и устройство для калибровки приемной активной фазированной антенной решетки
METHOD AND DEVICE FOR CALIBRATION OF RECEIVING ACTIVE PHASED ANTENNA ARRAY

Изобретение относится к области антенной техники и может использоваться для калибровки приемных активных фазированных антенных решеток (АФАР), используемых в радиолокационных станциях (РЛС) дальнего обнаружения.
=
Известен способ калибровки АФАР, состоящий в том, что излучают вспомогательной антенной сигнал, принимают его контролируемой антенной, измеряют мощность сигнала на выходе контролируемой антенны и сравнивают ее с заданным значением [2]. Недостаток этого способа состоит в том, что для обеспечения близкого к плоскому фронта падающей на апертуру контролируемой АФАР электромагнитной волны расстояние R между антеннами должно быть таким, чтобы фазовая неравномерность не превышала некоторого допустимого значения . Так, в случае прямоугольного раскрыва АФАР с размерами 100×30 м, при 10° и длине волны λ=0,6 м расстояние между антеннами должно быть не менее 75 км. Техническая реализация способа связана со значительными организационными и технологическими сложностями. Известен способ калибровки приемной антенны АФАР [3], в котором на вход каждого приемного модуля поочередно подают входной сигнал, измеряют амплитуду и фазу сигнала на выходе приемного модуля, на основе этих измерений формируют калибровочные коэффициенты, которые используют для регулировки комплексного коэффициента передачи каждого приемного модуля, добиваясь их идентичности. Недостаток данного способа состоит в том, что для его реализации требуется высокоточный измерительный прибор, поскольку измерение параметров выходных сигналов каждого приемного модуля производится вне связи с измерениями выходных сигналов других приемных модулей, т.е. измеряются абсолютные значения амплитуды и фазы сигналов на выходах приемных модулей. От этого недостатка свободен способ калибровки АФАР [4], в соответствии с которым один из приемных модулей принимают в качестве опорного, подают калибровочный сигнал на вход каждого приемного модуля, сравнивают по очереди параметры сигналов с выходов всех калибруемых модулей с параметрами выходного сигнала опорного модуля, при этом измеряют разность фаз и амплитуд, формируют на основе измерений калибровочные коэффициенты для каждого приемного модуля, которые используют для регулировки комплексных коэффициентов передачи каждого приемного модуля, добиваясь их идентичности с помощью управляемых аттенюаторов и фазовращателей. Недостаток данного способа состоит в том, что с одной стороны для достижения необходимой точности измерений амплитуды и фазы выходных сигналов необходимо обеспечить значительное превышение мощности калибровочного сигнала над мощностью собственных шумов приемных модулей, с другой стороны - мощность калибровочных сигналов должна находиться в пределах возможных значений мощности принимаемых отраженных от целей сигналов при работе РЛС в штатном режиме.
От этого недостатка свободен способ калибровки N-элементной приемной АФАР РЛС дальнего обнаружения [1], включающий подачу на вход каждого приемного модуля калибровочного сигнала, его предварительное усиление на несущей частоте, частотное преобразование, усиление на промежуточной частоте, аналого-цифровое преобразование с выделением квадратурных составляющих комплексных амплитуд выходных сигналов и формирование корректирующих кодов на основе сравнения модулей и аргументов комплексных амплитуд выходных сигналов каждого из N-1 калибруемых приемных модулей с модулем и аргументом комплексной амплитуды выходного сигнала одного из приемных модулей, принятого за опорный, причем в качестве калибровочного сигнала применяют когерентную последовательность из N радиоимпульсов, мощность которых имеет величину одного порядка с мощностью поступающих на вход каждого приемного модуля отраженных от целей сигналов при работе РЛС в штатном режиме, т.е. при отношении сигнал-шум по мощности ρ<<1. Для обеспечения требуемого отношения сигнал-шум квадратурные составляющие выходных сигналов перед формированием калибровочных коэффициентов подвергают N-кратному последовательному суммированию. При этом отношение сигнал-шум по мощности увеличивается в N раз, что позволяет формировать калибровочные коэффициенты, которые используют для регулирования комплексных коэффициентов передачи калибруемых приемных модулей с целью их выравнивания и обеспечения равномерного амплитудно-фазового распределения поля на апертуре АФАР. Данный способ наиболее близок к предлагаемому и принят в качестве прототипа.
Недостатками прототипа являются низкая точность калибровки, вызванная погрешностями, вносимыми управляемыми фазовращателями и аттенюаторами, и сложность технической реализуемости способа, связанная с необходимостью конструктивных изменений приемных модулей для включения в их состав фазовращателей и аттенюаторов.
Задачей изобретения является повышение точности калибровки приемной АФАР РЛС дальнего обнаружения при одновременном упрощении его технической реализации.
Указанная задача решается за счет того, что выравнивание амплитудно-фазового распределения на апертуре АФАР осуществляют путем умножения комплексных амплитуд выходных сигналов калибруемых приемных модулей на комплексные калибровочные коэффициенты, сформированные на основе сравнения комплексных амплитуд накопленных сигналов с выходов всех калибруемых приемных модулей с комплексной амплитудой накопленного сигнала с выхода опорного приемного модуля. При этом выполняют следующие операции. Формируют калибровочный сигнал в виде последовательности из N когерентных радиоимпульсов, где N - число элементов АФАР. Подают калибровочный сигнал на входы каждого приемного модуля. После предварительного усиления его на несущей частоте, частотного преобразования, основного усиления на промежуточной частоте производят аналого-цифровое преобразование выходного сигнала с выделением его квадратурных составляющих. Квадратурные составляющие выходных сигналов каждого приемного модуля подают на цифровые накапливающие сумматоры, где производят последовательное N-кратное суммирование квадратурных составляющих выходных сигналов. По накопленным значениям квадратурных составляющих выходных сигналов определяют их амплитуды и фазы. Сравнивают амплитуду и фазу накопленного выходного сигнала каждого приемного модуля с амплитудой и фазой одного из приемных модулей, принятого в качестве опорного. На основе сравнения амплитуд и фаз накопленных сигналов с выходов (N-1) калибруемых приемных модулей с амплитудой и фазой накопленного сигнала с выхода опорного приемного модуля формируют комплексные калибровочные коэффициенты, которые используют для калибровки комплексных коэффициентов передачи всех (N-1) калибруемых приемных модулей путем умножения комплексных амплитуд выходных сигналов калибруемых приемных модулей на соответствующие комплексные калибровочные коэффициенты. Сигнал с выхода опорного приемного модуля и сигналы с выходов калибруемых приемных модулей подают на систему цифрового формирования диаграммы направленности АФАР [5, с. 17-31].
Техническим результатом изобретения является повышение точности калибровки приемной АФАР при одновременном упрощении ее технической реализации за счет исключения из состава всех приемных модулей управляемых аттенюаторов и фазовращателей и применения вместо них цифровых комплексных перемножителей.
Сущность изобретения иллюстрируется следующими фигурами: на фиг. 1 приведена структурная схема устройства для калибровки приемной АФАР; на фиг. 2 - структурная схема приемного модуля АФАР; на фиг. 3 - структурная схема блока калибровки; на фиг. 4 - структурная схема генератора калибровочных сигналов.
гет
i
i
i
i
i
i
i
i
гет
Устройство, реализующее предлагаемый способ калибровки АФАР, содержит (фиг. 1) N калибруемых приемных модулей 1 с излучателями 2, выходы квадратурных составляющих комплексных амплитуд выходных сигналов каждого приемного модуля  и  (i∈0, N-1) соединены с соответствующими входами блока калибровки 3, выходы калибровочных сигналов «КС» с номерами 0, 1, …i… (N-1) соединены с калибровочными входами соответствующих приемных модулей 1, а выходы квадратурных составляющих комплексных амплитуд выходных сигналов калибруемых приемных модулей , , …, , , …, , , а также выходы квадратурных составляющих комплексной амплитуды выходного сигнала опорного приемного модуля  и  подключены к соответствующим входам системы 4 цифрового формирования диаграммы направленности АФАР. Каждый приемный модуль АФАР (фиг. 2) содержит входной малошумящий усилитель 5, смеситель - 6, усилитель промежуточной частоты - 7, аналого-цифровой квадратурный преобразователь - 8. Дополнительно в схему каждого приемного модуля включен коммутатор - 9, первый вход которого соединен с излучателем 2, второй вход соединен с i-м выходом (i - номер приемного модуля, i∈0, Ν-1) блока калибровки - 3, управляющий вход коммутатора 9 соединен с пультом управления РЛС для подачи команды «ПУСК», а выход соединен с входом малошумящего усилителя 5, выход которого подключен к первому входу смесителя 6, на второй вход которого подано напряжение гетеродина U, а выход подключен к входу усилителя промежуточной частоты 7, выход которого подключен к входу аналого-цифрового квадратурного преобразователя 8. Квадратурные выходы аналого-цифрового квадратурного преобразователя 8 , , (i∈0…N-1) являются выходами каждого приемного модуля и соединены с соответствующими входами блока калибровки 3. Блок калибровки 3 (фиг. 3) содержит генератор калибровочных сигналов - 10, выход калибровочных сигналов «КС» которого соединен с входом СВЧ делителя мощности - 11, выходы 0, …, i, …, (N-1) которого подключены к i калибровочным входам коммутатора 9 соответствующих приемных модулей (фиг. 2). Выход тактовых импульсов «ТИ» генератора калибровочных сигналов 10 подключен к входам синхронизации накапливающих сумматоров - 12, 13, (i∈0, N-1) квадратурных составляющих комплексных амплитуд выходных сигналов приемных модулей, информационные входы указанных накапливающих сумматоров соединены с соответствующими выходами квадратурных составляющих комплексных амплитуд выходных сигналов приемных модулей  и  (i∈0, N-1), а выходы накапливающих сумматоров подключены к входам соответствующих вычислителей модуля - 14 и аргумента - 15 (i∈0, N-1). Выходы вычислителей модуля 14 и аргумента 15 подключены к входам вычислителя комплексных коэффициентов калибровки - 16, выходы действительной части  и мнимой части  (i∈1, N-1) комплексных коэффициентов калибровки  (i∈1,N-l) которого подключены к первым входам комплексных перемножителей - 17 (i∈1, N-1), а ко вторым входам указанных комплексных перемножителей подсоединены выходы соответствующих калибруемых приемных модулей от 1-го до (N-l)-гo. Выходы всех комплексных перемножителей 17 являются выходами калиброванных амплитуд выходных сигналов приемных модулей ,  (i∈1, N-1) и соединены с входами системы цифрового формирования диаграммы направленности 4 АФАР (фиг. 1). Генератор калибровочных сигналов 10 (фиг. 4) содержит кварцевый генератор - 18, выход которого подключен к входу гетеродина - 19, выход которого является выходом напряжения гетеродина U, кроме того, выход кварцевого генератора 18 подключен к входу делителя частоты - 20 и к первому входу схемы «И» - 21, второй вход которой соединен с выходом триггера - 22, а выход соединен с входом генератора тактовых импульсов - 23, выход которого является выходом тактовых импульсов («ТИ») генератора калибровочных сигналов 10 и, кроме того, подключен к входу генератора модулирующих импульсов - 24 и к входу реверсивного счетчика - 25, выход которого подключен к первому входу триггера 22, второй вход которого является входом «ПУСК» генератора калибровочных сигналов 10, выход генератора модулирующих импульсов 24 подключен ко второму входу модулятора - 26, выход которого является выходом калибровочных сигналов «КС» генератора 10.
кв.г
ТИ
кв.г
ТИ
i
i
КС
кв.г
кс
П
кв.г
ГЕТ
ГЕТ
i
i
i
Калибровку приемных модулей фазированных антенных решеток осуществляют следующим образом. Для начала работы на вход генератора калибровочных сигналов 10 подают сигнал «ПУСК» с пульта оператора РЛС. При этом триггер 22 (фиг. 4) переводится в состояние «1», открывается схема «И» 21 (фиг. 4), коммутаторы 9 всех приемных модулей (фиг. 2) подключают входы малошумящих усилителей 5 всех приемных модулей к выходам калибровочных сигналов «КС» генератора калибровочных сигналов 10 (фиг. 3). Кварцевый генератор 18 (фиг. 4) вырабатывает гармоническое напряжение с частотой ƒ, которое в делителе частоты 20 (фиг. 4) после ограничения по амплитуде преобразуется в импульсное напряжение типа «меандр» той же частоты, на выходе делителя частоты 20 формируется последовательность импульсов, частота повторения которых F=ƒ/n, где n - коэффициент деления частоты. Эти импульсы проходят через открытую схему «И» 21 (фиг. 4) и запускают генератор тактовых импульсов 23, где они преобразуются в прямоугольные импульсы заданной длительности τ, которые поступают на выход «ТИ» генератора калибровочных сигналов 10 (фиг. 3) и используются для синхронизации накапливающих сумматоров 11, 12 (фиг. 3). Кроме того, импульсы с выхода генератора тактовых импульсов 23 (фиг. 4) поступают на вход генератора модулирующих импульсов 24, где они преобразуются в прямоугольные импульсы заданной длительности τ, которые открывают нормально закрытый модулятор 26 (фиг. 4), преобразующий непрерывные колебания кварцевого генератора 18 частоты ƒ в когерентную последовательность из N радиоимпульсов калибровочного сигнала длительностью τ с частотой повторения F=ƒ/n. Когерентность пачки N калибровочных импульсов обеспечивается тем, что модулирующие импульсы формируются из гармонических колебаний кварцевого генератора 18 после деления их частоты в n раз делителем частоты 20. Кроме того, тактовые импульсы с выхода генератора тактовых импульсов 23 (фиг. 4) поступают на вход реверсивного счетчика импульсов 25, который после поступления на него N тактовых импульсов обнуляется и формирует сигнал, переводящий триггер 22 в нулевое состояние, в результате чего схема «И» 21 закрывается и прекращается формирование тактовых импульсов «ТИ» и импульсов калибровочного сигнала «КС». Сформированные таким образом N когерентных радиоимпульсов через делитель мощности 11 (фиг. 3) и через коммутаторы 9 (фиг. 2) поступают на входы всех приемных модулей, где предварительно усиливаются малошумящим усилителем 5, преобразуются на промежуточную частоту смесителем 6, на второй вход которого подано напряжение гетеродина U с соответствующего выхода генератора калибровочных сигналов 10. Когерентность импульсов промежуточной частоты обеспечивается тем, что напряжение гетеродина U в блоке генератора калибровочных сигналов 10 формируется из колебаний кварцевого генератора 18. После усиления усилителем промежуточной частоты 7 (фиг. 2) эти импульсы преобразуются в цифровую форму аналого-цифровым квадратурным преобразователем 8 (фиг. 2) с выделением квадратурных составляющих  и  комплексной амплитуды  выходного сигнала i-го приемного модуля (i∈0, N-1), которые поступают на соответствующие накапливающие сумматоры 11, 12(фиг. 3), на выходе которых в результате N-кратного когерентного суммирования формируются суммарные комплексные сигналы с действительной  и мнимой  частями. Результаты суммирования и поступают на соответствующие вычислители модуля 14 и аргумента 15i (фиг. 3).
Σί
Результаты вычислений модуля комплексной суммарной амплитуды  и аргумента φ поступают на входы вычислителя комплексных калибровочных коэффициентов 16 (фиг. 3), которые для каждого калибруемого приемного модуля  определяются как отношение комплексной амплитуды накопленного выходного сигнала нулевого (опорного) приемного модуля  к комплексной амплитуде накопленного выходного сигнала i-гo калибруемого приемного модуля .
i
Действительную  и мнимую  части комплексного калибровочного коэффициента каждого калибруемого приемного модуля с номерами i∈(1, N-1) подают на первые входы соответствующих комплексных перемножителей 17 (фиг. 3), на вторые входы которых подают выходные сигналы соответствующих калибруемых приемных модулей.
i
i
В результате чего на выходах перемножителей 17 получают калиброванные значения комплексных амплитуд выходных сигналов калибруемых приемных модулей , квадратурные составляющие которых в точности равны квадратурным составляющим комплексной амплитуды выходного сигнала нулевого (опорного) приемного модуля, т.е. выходные сигналы всех приемных модулей оказываются одинаковыми как по амплитуде, так и по фазе. Непосредственно с выхода нулевого (опорного) модуля и с выходов соответствующих комплексных перемножителей 17 (фиг. 3) на вход схемы цифрового формирования диаграммы направленности 4 (фиг. 1) поступают равноамплитудные и синфазные сигналы, путем взвешенного суммирования которых формируется диаграмма направленности (ДН) АФАР [5].
Данный способ калибровки приемных модулей АФАР позволяет повысить точность калибровки приемной АФАР при одновременном существенном упрощении его технической реализации за счет исключения из состава всех приемных модулей управляемых аттенюаторов и фазовращателей.
Источники информации
1. 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 (прототип).
2. Бубнов Г.Г. и др. Коммутационный способ измерения характеристик фазированных антенных решеток. - М.: Радио и связь, 1989 г. - 120 с.
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.
5. Григорьев Л.Н. Цифровое формирование диаграммы направленности в фазированных антенных решетках. - М.: Радиотехника, 2010 г. - 144 с.