Способ определения диаграммы направленности фазированной антенной решетки
METHOD FOR DETERMINING THE DIRECTIONAL PATTERN OF A PHASED ANTENNA ARRAY

Изобретение относится к области антенной техники и может быть использовано для определения характеристик фазированных антенных решеток.
Известен способ измерения диаграммы направленности фазированных антенных решеток, заключающийся в измерении поля в «дальней зоне» фазированной антенной решетки с помощью вспомогательной антенны [Методы измерения характеристик антенн СВЧ / Л.Н. Захарьев, А.А. Леманский, В.И. Турчин и др.; Под ред. Н.М. Цейтлина. - М.: Радио и связь, 1985, с. 71-128]. Этот способ реализуется путем расположения вспомогательной антенны-облучателя в зоне прямой видимости испытуемой фазированной антенной решетки и на таком расстоянии от испытуемой фазированной антенной решетки, где выполняется условие «дальней зоны» [Методы измерения характеристик антенн СВЧ / Л.Н. Захарьев, А.А. Леманский, В.И. Турчин и др.; Под ред. Н.М. Цейтлина.- М.: Радио и связь, 1985, с. 8]. При этом испытуемая фазированная антенная решетка и вспомогательная антенна-облучатель располагаются на вышках специально оборудованного антенного полигона «дальней зоны». Основными недостатками способа являются: значительная протяженность пространства полигона (в зависимости от размеров апертуры антенн и рабочей длины волны), а так же необходимость оборудования его дорогостоящим опорно поворотным устройством антенны (ОПУА). Это становится особенно трудно, если исследуемая фазированная антенная решетка (ФАР) обладает значительными массогабаритными показателями.
Недостатки этого способа частично устраняются, если измерения характеристик фазированной антенной решетки происходят в, так называемом, «компактном полигоне». При измерениях испытуемую фазированную антенную решетку располагают в рабочей зоне вспомогательной антенны - коллиматора, который преобразует сферический фронт волны антенны-облучателя в плоский. При этом достигается эффект расположения испытуемой фазированной антенной решетки в «дальней зоне».
В способе определения диаграммы направленности фазированной антенной решетки [Патент RU 2343495 С2, опубл. 10.01.2009 г., МПК G01R 29/10] измерения происходят в «компактном полигоне». Этот способ определения диаграммы направленности фазированной антенной решетки, включает прием или излучение сигналов фазированной антенной решеткой, изменение сдвигов фаз одного или нескольких элементов фазированной антенной решетки, измерение амплитуды и фазы сигнала, переданного или принятого вспомогательной антенной, определение из измеренных данных амплитуды и фазы возбуждения элементов и вычисления диаграммы направленности фазированной антенной решетки в соответствии с математической моделью
Где
- диаграмма направленности фазированной антенной решетки;
- комплексная амплитуда n-го элемента фазированной антенной решетки;
- диаграмма направленности n-го элемента фазированной антенной решетки;
N - количество элементов фазированной антенной решетки.
При этом испытуемая фазированная антенная решетка располагается перед коллиматором в такой области, где излучаемое или принимаемое электромагнитное поле представляет собой плоскую волну, параллельно фронту плоской волны таким образом, чтобы электрические длины путей от элементов фазированной антенной решетки до входа измерительной аппаратуры были одинаковы, а измеренные значения амплитуды и фазы сигнала, переданного или принятого вспомогательной антенной, непосредственно используются для восстановления диаграммы направленности в соответствии с вышеупомянутой математической моделью.
Данный способ обладает следующими недостатками. В данном способе требуется, чтобы электрические длины путей от элементов испытуемой фазированной антенной решетки до входа измерительной аппаратуры были одинаковы. Кроме того, в процессе измерений требуется перебор всех фазовых состояний каждого фазовращателя, что ведет к значительному увеличению времени измерений. Перед определением диаграммы направленности в данном способе требуется определение амплитуды и фазы возбуждения элементов фазированной антенной решетки из измеренных данных. Для выполнения данной операции необходимо решать систему линейных уравнений большого порядка, что требует значительного времени обработки и использования математической модели.
Данные недостатки устранены в [Патент RU 2610820 С1, опубл. 15.02.2017 г. МПК H01Q 3/26], где описывается способ определения диаграммы направленности фазированной антенной решетки, при котором задают набор направлений луча, охватывающий область видимости фазированной антенной решетки. В процессе проведения измерений плоский фронт электромагнитной волны формируется посредством использования вспомогательной антенны. При этом электрические длины путей от элементов фазированной антенной решетки до входа измерительной аппаратуры могут быть произвольны. Изменяя с помощью фазовращателей сдвиги фаз сигналов, проходящих через элементы фазированной антенной решетки, устанавливают луч фазированной антенной решетки в одно из направлений набора, после чего измеряют амплитуду и фазу сигнала. Затем операции повторяют, каждый раз устанавливая луч фазированной антенной решетки последовательно в остальные направления. Амплитуды сигнала, измеренные при каждом направлении луча, умножают на заранее определенные для этих направлений амплитуды сигнала от одного элемента в составе фазированной антенной решетки, а фазы сигнала, измеренные при каждом направлении луча, складывают с заранее определенными для этих направлений фазами сигнала от одного элемента в составе фазированной антенной решетки.
Главным в данном изобретении является то, что определяемая подобным образом диаграмма направленности, при всех возможных для данной фазированной антенной решетки направлениях установки луча, не требует механических угловых перемещений фазированной антенной решетки в формируемом коллиматором плоском поле электромагнитной волны. Это означает, что ОПУА при подобных измерениях может оставаться неподвижным. Проведенные подобным образом измерения позволяют определить диаграмму направленности в двумерном пространстве углов.
Недостатками подобного способа определения диаграммы направленности являются:
1. Ограниченность его применения, ввиду того, что «компактный полигон» сам по себе, является довольно дорогостоящим сооружением и проводить измерения в нем можно только в ограниченных местах (база разработчика или производственные измерительные комплексы). Оценить же работоспособность фазированной антенной решетки порой требуется быстро и в полевых условиях;
2. «Компактный полигон» и входящее в его состав ОПУА - сложное прецизионное электромеханическое устройство, как правило, создается под конкретную фазированную антенную решетку (с определенными габаритно-весовыми показателями). В связи с этим провести измерение диаграммы направленности фазированной антенной решетки больших габаритов и веса как правило проблематично;
3. То же самое можно сказать и применительно к классическому полигону «дальняя зона». Этот полигон должен иметь достаточно протяженные (в плане) размеры и целый комплекс стационарно монтируемого дорогостоящего оборудования, что далеко не всегда возможно обеспечить.
Задачей изобретения является обеспечение возможности определения диаграммы направленности фазированной антенной решетки без использования ОПУА как в полевых условиях, так и на базе полигона «дальней зоны».
Техническим результатом предлагаемого способа является возможность определения диаграммы направленности фазированной антенной решетки при неподвижной установке испытуемой фазированной антенной решетки в горизонтальной или наклонных плоскостях.
Сущность предлагаемого способа определения диаграммы направленности фазированной антенной решетки состоит в приеме сигналов, переносимых электромагнитным полем, изменении сдвигов фаз сигналов, проходящих через один или несколько элементов фазированной антенной решетки, измерении амплитуды сигнала, формируемого вспомогательной антенной, при котором фазированная антенная решетка располагается в области, где принимаемое ею электромагнитное поле представляет собой плоскую электромагнитную волну, при этом задают набор направлений луча, охватывающий область видимости фазированной антенной решетки, а плоскость раскрыва, электрические длины, от элементов которой, до входа измерительной аппаратуры произвольны, располагают под углом относительно фронта плоской электромагнитной волны, изменяя с помощью фазовращателей сдвиги фаз сигналов, проходящих через элементы фазированной антенной решетки, устанавливают луч фазированной антенной решетки в одно из направлений набора, измеряют амплитуду сигнала, затем операции повторяют, каждый раз устанавливая луч фазированной антенной решетки последовательно в остальные направления, амплитуды сигнала, измеренные при каждом направлении луча, умножают на заранее определенные для этих направлений амплитуды сигнала от одного элемента в составе фазированной антенной решетки.
2
Новым в заявляемом изобретении является то, что формирование плоской электромагнитной волны осуществляется вспомогательной антенной, располагаемой на борту дистанционно пилотируемого летательного аппарата квадрокоптерного типа, который в режиме зависания вместе с вспомогательной антенной и маломощным передатчиком на борту устанавливается, на расстояние R≥2D/λ, где:
- R - удаление вспомогательной антенны на борту от плоскости раскрыва фазированной антенной решетки;
- D - наибольший размер раскрыва фазированной антенной решетки;
- λ - рабочая длина волны;
при этом фазированная антенная решетка располагается под произвольным относительно горизонта углом.
На фиг. 1 показана фазированная антенная решетка, размещенная горизонтально на транспортном стапеле, и вспомогательная антенна на борту дистанционно пилотируемого летательного аппарата (ДПЛА).
На фиг. 2 показана фазированная антенная решетка, размещенная неподвижно с произвольным углом наклона к плоскости горизонта и вспомогательная антенна на борту ДПЛА, где
1 - Зависающий дистационный пилотируемый летательный аппарат (ДПЛА квадрокоптерного типа) с необходимой приемо-передающей аппаратурой на борту;
2 - Вспомогательная антенна на борту ДПЛА;
3 - Сферический фронт волны вспомогательной антенны;
2
4 - Высота на фиг. 1 (наклонное расстояние на фиг. 2) зависания, т.е., расстояние от вспомогательной антенны до раскрыва ФАР, выбираемое из условия R≥2D/λ;
5 - фазированная антенная решетка;
6 - Плоский фронт волны от вспомогательной антенны у раскрыва ФАР;
7 - Условные положения установки луча фазированной антенной решетки при измерениях;
8 - Установочный стапель фазированной антенной решетки на мобильном шасси на фиг. 1 (или стационарный на фиг. 2);
9 - Наземный комплекс управления ДПЛА;
10 - Автоматизированное рабочее место управления фазированной антенной решеткой;
11 - Наземный измерительный комплекс на основе векторного анализатора цепей (ВАЦ);
12 - Наземный комплекс управления измерениями.
2
Измерения производят следующим образом. Фазированная антенная решетка (5) располагается на мобильном транспортном стапеле (8) как на фиг. 1 (или стационарно устанавливается как на фиг. 2) таким образом, что излучающий раскрыв ее находится в горизонтальной плоскости как на фиг. 1 (или под любым другим углом к горизонту как на фиг. 2). Вспомогательная антенна (2), формирующая сферический фронт волны (3) и питающаяся СВЧ энергией от маломощного генератора, устанавливается на борту ДПЛА квадрокоптерного типа, оборудованного системой стабилизации позиции зависания (1). Управление фазированной антенной решеткой при измерении в режиме приема сигнала осуществляется через ее штатное автоматизированное рабочее место (10) и наземный комплекс управления измерениями (12). С их помощью осуществляется перестройка фазированной антенной решетки, а также регистрация и систематизация данных, измеряемых ВАЦ (11). Управление полетными режимами ДПЛА, а также управление режимами передатчика вспомогательной антенны на борту, происходит через его наземный штатный комплекс управления (9). Если условие «дальней зоны» (R≥2D/λ) для ФАР выполняется, т.е. ДПЛА (в режиме стабилизации зависания) поднят на высоту (4), то фронт волны, приходящий от вспомогательной антенны, в плоскости расположения раскрыва ФАР можно считать плоским (6). Посредством передачи данных от наземного комплекса управления измерениями (12) в блок автоматизированного рабочего места (10), луч фазированной антенной решетки устанавливают в заранее заданное направление (7) и принимают сигнал, пришедший от вспомогательной антенны (2). Сигнал от фазированной антенной решетки поступает на измерительную аппаратуру (11), где измеряется амплитуда сигнала. Затем луч фазированной антенной решетки устанавливают в следующее заранее заданное направление и повторяют измерения. Перечисленные действия повторяют для всех заданных направлений луча. Несколько направлений установки луча (7) показаны на фиг. 1 и фиг. 2. Измеренные значения при каждом направлении луча, умножают на заранее определенные для этих направлений амплитуды сигнала от одного элемента в составе фазированной антенной решетки.
Таким образом, предложенный способ позволяет определить диаграмму направленности фазированной антенной решетки без использования «компактного полигона» или классического полигона «дальней зоны».