УСТРОЙСТВО КОНТРОЛЯ МНОГОКАНАЛЬНОЙ ПЕРЕДАЮЩЕЙ АКТИВНОЙ ФАЗИРОВАННОЙ РЕШЕТКИ
MULTICHANNEL TRANSMITTING ACTIVE PHASED ARRAY MONITORING DEVICE

Изобретение относится к области радиолокационной техники и может быть использовано в системах встроенного контроля передающих фазируемых антенных решеток.
Передающая фазируемая антенная решетка состоит из передающих каналов, количество которых может достигать несколько тысяч, и устройства разводки опорного сигнала от возбудителя.
Передающий канал активной многоканальной ФАР состоит из усилителя мощности, или усилителей мощности, фазовращателя, развязывающих невзаимных устройств, подстроечных фазовращателей и ряда низкочастотных узлов, например, устройство управления фазовращателем, устройства управления усилителем мощности и т.д. На рис.1 приведена схема передающего канала активной передающей ФАР, описанная в статье "Экспериментальное исследование модели активной антенно-передающей системы с электронным сканированием" (ИММОРЕЕВ И.Я. "Вопросы специальной радиоэлектроники" серия "Общетехническая" №11, 1971 г.).
В различных ФАР устройство передающих каналов может быть различным, те или иные устройства в них могут отсутствовать.
Устройство разводки опорного сигнала от возбудителя в простейшем случае состоит из набора деталей, которые обеспечивают деление и разводку сигнала на каждый передающий канал. В состав устройства разводки могут входить дополнительно и другие пассивные элементы, например, аттенюаторы, ответвители, мосты и т.д., с помощью которых осуществляется формирование диаграммы, регулируются уровни боковых лепестков и характеристики диаграммы направленности и т.д.
Устройство разводки в простейшем виде описано в книге "Сканирующие антенные системы СВЧ", том III, перевод под ред. МАРКОВА Г.Т. и ЧАПЛИНА А.Ф. "Сов. радио", 1971 г., стр.17.
Для упрощения последующих схем реализующих предлагаемый способ контроля мы предполагаем схему разводки типа "елочка" (рис.1д, стр. 19 вышеуказанной книги).
Известен ряд способов контроля передающих ФАР.
Большинство этих способов основано на приеме сигналов передающей ФАР от каждого канала в отдельности в дальней зоне. Этим способам присущи недостатки, связанные с необходимостью перед контролем проводить сложные юстировочные операции, разворачивать длинную линию связи с контрольной антенной, расположенной в дальней зоне. Кроме того, эти способы чаще всего неприменимы для ФАР, расположенных на подвижных объектах, например, корабль или самолет.
В статье "Системы контроля параметров (базируемых антенн при помощи ЭВМ" (журнал США "Электроника" 1963 г., №46) описан способ оперативного контроля, основанный на выводе с помощью элементов связи части сигнала из каждого передающего канала и подачи этих сигналов через контрольную систему делителей и переключателей на измерительное устройство.
К сожалению, такой способ контроля приводит к значительному усложнению ФАР из-за сложности системы делителей и переключателей.
Поэтому большее применение нашел способ контроля, основанный на выделении части сигнала, излучаемого каналом, и измерении характеристик этого сигнала в самом передающем канале.
Часто весогабаритные и конструктивные характеристики передающих каналов не позволяют контролировать и мощность и фазу сигнала. Поэтому ограничиваются измерением только фазы сигнала.
Данный способ контроля описан в статье "Экспериментальное исследование модели активной антенно-передающей системы с электронным сканированием" (ИММОРЕЕВ И.Я. "Вопросы специальной радиоэлектроники", серия ОТ, №11, 1971 г.) и принимается за прототип.
На рис. 1 приведена блок-схема передающего канала и контрольные устройства, реализующие способ контроля, принимаемый нами за прототип.
Часть СВЧ мощности с выхода передающего канала через ответвитель (6) поступает на фазовый детектор (7). В качестве опорного сигнала фазового детектора используется входной сигнал передающего канала, часть которого через направленный ответвитель (1) и подстроечный фазовращатель (2) подается на фазовый детектор.
Напряжение с выхода фазового детектора пропорциональное фазе выходного сигнала выводится из передающего канала в блок контроля.
Достоинствами данного способа контроля является возможности непрерывного и одновременного контроля электрических длин всех передающих каналов.
Наряду с достоинствами прототип имеет ряд недостатков:
а) контролем охватываются только передающие каналы. Устройство разводки не контролируется;
б) увеличение габаритов и стоимости ФАР из-за необходимости встраивания в каждый канал фазового детектора и элементов защиты детектора от помех и наводок, возникающих в момент излучения СВЧ мощности;
в) сравнительно небольшая точность контроля из-за невозможности обеспечить в габаритах передающего канала достаточной экранировки. Следует подчеркнуть, что в момент генерации СВЧ импульсов по цепям питания усилителя мощности (ЛБВ или амплитрон) проходят импульсные токи в несколько ампер при напряжениях 1000 в и более.
Целью настоящего изобретения является устранение этих недостатков. Поставленная цель достигается за счет того, что часть выделенного на выходе передающего канала излучаемого сигнала вводят на выход устройства разводки, по цепям устройства разводки контрольные сигналы поступают на вход устройства разводки, где эти сигналы выделяют. Т.е. рабочие цепи ФАР, устройство разводки опорного сигнала используют для транспортирования и линейного сложения контрольных сигналов на один вход.
Поочередно модулируют в каждом передающем канале сигнал, и перед измерением промодулированный сигнал контролируемого в данный момент канала отделяют от сигналов других каналов и измеряют его по фазе и амплитуде.
Предлагаемый способ контроля позволяет проверить весь передающий тракт ФАР, включая устройство разводки опорного сигнала.
В состав передающего канала встраивают два ответвителя и иногда СВЧ модулятор, который по схемному выполнению, габаритам и весу проще фазового детектора. Кроме того, модулятор не нуждается в экранировках и защитах от наводок и помех. Это позволяет, по ориентировочным расчетам с использованием конкретных параметров макетов, уменьшить вес передающего канала на 10%÷15%, что с учетом количества каналов дает весьма ощутимый эффект.
Измерение параметров сигналов контролируемых передающих каналов производится в специальном измерительном устройстве.
Точность измерения параметров сигналов контролируемых каналов определяется точностью измерительной аппаратуры, которая размещается рядом с передающей ФАР, на которую не воздействуют помехи и наводки, габариты которой практически не ограничены.
Вес и габариты одного измерительного устройства конечно меньше, чем все измерители, встроенные в каждый передающий канал.
Расчеты, проведенные с учетом параметров реальной передающей ФАР, и макетирование подтверждают положительные качества устройства контроля, реализующего предлагаемый метод контроля.
Точность контроля фазы выходного сигнала передающего канала составляет 7°÷10° и точность измерения мощности порядка 15-20%.
Изобретение иллюстрируется рисунками 1÷3.
Рис.1 - блок-схема передающего канала и устройства контроля, реализующие способ контроля описанного в прототипе.
Рис.2а, б - блок-схемы передающих каналов и устройств контроля, позволяющие реализовать предлагаемый способ контроля.
Рис.3 - блок-схема передающей ФАР с устройствами контроля, реализующими предлагаемый способ контроля.
На рисунках использованы следующие обозначения:
1 - направленный ответвитель. Стрелкой показано направление ответвляемой мощности.
2 - фазовращатель подстроечный
3 - ферритовый вентиль
4 - дискретный фазовращатель
5 - усилитель мощности
6 - направленный ответвитель.
Стрелкой показано направление ответвляемой мощности.
7 - фазовый детектор
8 - излучатель
9 - трансформатор накальный
10 - генераторы опорных сигналов ФАР
11 - усилитель мощности
12 - направленный ответвитель
13 - устройство разводки опорного сигнала
14 - смеситель-переносчик частоты
15 - модулятор
16 - переключатель выбора контролируемого канала
17 - фазовый детектор и устройство селективного выделения сигнала контролируемого канала.
18 - фазовращатель плавный калиброванный
19 - устройство управления фазовращателем
20 - устройство измерения амплитуды и фазы сигнала контролируемого канала.
Подробное описание
Предлагаемый способ контроля заключается в том, что выделенные с выхода каждого передающего канала контрольные сигналы пропускают через устройство разводки в обратном, по отношению к опорному сигналу, направлении с выходов на вход устройства разводки.
На входе устройства разводки контрольные сигналы отделяют от опорных, а перед измерением сигнала контролируемого в данный момент канала контрольный сигнал в этом канале модулируют и выделяют промодулированный контрольный сигнал из контрольных сигналов всех остальных каналов.
Рассмотрим особенности предлагаемого способа на примере его реализации.
На рис. 2а приведена блок-схема передающего канала и устройства контроля.
Часть СВЧ мощности с выхода передающего канала через ответвитель (6) выделяют и посредством жесткого коаксиального кабеля или волновода подают на ответвитель (1).
Ответвитель (1) включен таким образом, что СВЧ мощность с плеча 3 поступает в плечо 1, т.е. выходит из передающего канала.
М
При контроле описываемого канала на его дискретный фазовращатель (4) подают команды, обеспечивающие его переключение, например, 0° и 180°, с частотой модуляции F.
М
Поэтому выходные СВЧ импульсы передающего канала будут промодулированы по фазе с частотой F.
Промодулированным по фазе будет и контрольный сигнал в плечах 3 и 1 ответвителя 1. Этот сигнал через выход устройства разводки (13) пройдет через n-1 делителей (смотри рис.3) на вход устройства разводки.
Сигналы передающих каналов через направленный ответвитель (12) поступают на смеситель-переносчик частоты (14), разностная, промежуточная, частота поступает на фазовый детектор и устройство селективного выделения (17) сигнала контролируемого канала. Сигналы гетеродина на смеситель подаются по кабелю длина которого близка к длине СВЧ тракта передающего канала и устройства разводки.
i
i
М
При контроле канала, например, A, через переключатель (16) на дискретный фазовращатель канала A с модулятора (15) подается модулирующее напряжение с частотой F.
i
Модулирующее напряжение используется также в устройстве (17) для селективного выделения сигнала канала A.
В генераторе (10) формируются 2 сигнала жестко связанные с опорным сигналом - сигнал опорного гетеродина для смесителя (14) и опорный сигнал для измерения фазы в устройстве (20).
Для измерения фазы используется точный фазовращатель (18), который управляется устройством (19) по командам с устройства (20).
Реализация предлагаемого способа контроля по схеме рис.2 может быть связана с рядом трудностей из-за изменения потерь фазовращателя при его переключениях, из-за больших и переменных КСВН, в случае отсутствия или неудовлетворительных параметров развязывающих невзаимных устройств и т.д.
В этом случае целесообразно применение дополнительного модулятора.
На рис.2б приведена блок-схема передающей каналов ФАР без развязывающих устройств с модулятором.
Данный способ позволяет проконтролировать поочередно все дискретные положения фазовращателя.
Контроль передающей ФАР можно осуществлять в режиме выполнения ФАР основных функций. В случае необходимости одновременно могут контролироваться несколько передающих каналов.