УСТРОЙСТВО СТАБИЛИЗАЦИИ АМПЛИТУДНО-ФАЗОВЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ПРИЁМО-ПЕРЕДАЮЩИХ КАНАЛОВ АВТОМАТИЗИРОВАННОЙ ФАЗИРОВАННОЙ АНТЕННОЙ РЕШЕТКИ

Устройство относится к области радиоэлектроники и может быть использовано для стабилизации параметров приемо-передающих каналов активных фазированных антенных решеток (АФАР).
Известны структуры приемо-передающих каналов АФАР, содержащие фазовращатели, аттенюаторы, усилители мощности и малошумящие усилители (МШУ) [Д.Н. Воскресенский, А.И Канащенков «Активные фазированные антенные решетки», Радиотехника, М., 2004 г.; Д.Н. Воскресенский, В.Н. Степаненко и др. «Устройства СВЧ и антенны. Проектирование фазированных антенных решеток», Радиотехника, М., 2003 г; «Вопросы перспективной радиолокации», сборник статей под редакцией профессора А.В. Соколова, Радиотехника, М., 2003 г]. Аналогом, наиболее близким в заявленной полезной модели (прототипу) является структура приемо-передающего канала, приведенного в книге В.Л. Гостюхина и др. «Активные фазированные антенные решетки», Радиотехника, М., 2011 г.
В известных технических решениях приемо-передающих каналов АФАР их фазовые и амплитудные состояния задаются цифроуправляемыми фазовращателями и аттенюаторами с помощью сигналов, формируемых в ЦЭВМ. В процессе производства проводят калибровку аттенюаторов и фазовращателей в диапазонах: регулируемого параметра (амплитуды или фазы), рабочих частот и температуры. При монтаже составных частей в модуле возникает взаимное влияние устройств канала и как следствие, изменение их параметров, что вызывает необходимость калибровки уже собранного модуля.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству является описанное в указанных выше источниках устройство приемо-передающих каналов АФАР, в котором исключают погрешности установки амплитудно-фазового состояния приемопередающих каналов АФАР с помощью введения табличных поправок, хранящихся в ПЗУ модуля. Таблица поправок формируется при калибровке модуля для всех возможных состояний и условий работы. При этом возникает противоречие между требованием к точности и стабильности задаваемых параметров канала (амплитуды и фазы сигнала несущей), объемом контрольно-испытательных операций и стоимостью оборудования. кроме того, для контроля параметров АФАР необходим оперативный контроль работоспособности и качества параметров приемо-передающих каналов.
Техническим результатом заявляемой полезной модели является повышение стабильности амплитудно-фазовых состояний передающего и приемного каналов АФАР путем охвата обоих каналов петлей отрицательной обратной связи и, как следствие, улучшение их эксплуатационных характеристик при одновременном сокращении объема контрольно-испытательных операций в производстве и обеспечении оперативного контроля работоспособности передающих и приемных каналов, что ведет к удешевлению производства.
Указанный технический результат достигается тем, что устройство стабилизации амплитудно-фазовых характеристик приемо-передающих каналов АФАР, содержащее приемо-передающую антенну, первый и второй циркуляторы, первый переключатель и вывод СВЧ устройства, а также - передающий канал в составе последовательно соединенных первых цифрового аттенюатора (АТТ), фазовращателя (ФВ) и усилителя мощности (УМ) и приемный канал в составе последовательно соединенных малошумящего усилителя приемного канала и вторых АТТ, ФВ и УМ, при этом вход малошумящего усилителя приемного канала соединен с выходом первого переключателя, первый вход которого соединен с выходом первого циркулятора, двунаправленный вывод которого связан с приемо-передающей антенной, а вывод СВЧ устройства соединен с двунаправленным выводом второго циркулятора, дополнительно содержит три ответвителя, второй переключатель, рефлектометр, делитель, группу детекторов квадратурных выходов рефлектометра, контроллер и вход устройства «задание», связанный с соответствующим входом контроллера, причем первый ответвитель соединяет выход второго циркулятора со входом первого АТТ, второй ответвитель соединяет выход второго УМ со входом второго циркулятора, а третий ответвитель соединяет выход первого УМ со входом первого циркулятора, ответвления первого, второго и третьего ответвителей соединены соответственно со входом делителя, с первым входом второго переключателя и со вторым входом второго переключателя, третий вход которого является входом управления, а выход которого соединен с первым входом рефлектометра, второй вход которого соединен с первым выходом делителя, второй выход которого соединен со вторым входом первого переключателя, третий вход которого является входом управления, группа квадратурных выходов рефлектометра соединена через соответствующие детекторы с соответствующими входами контроллера, первая группа управляющих выходов которого соединена с соответствующими входами первых АТТ и ФВ, а вторая группа управляющих выходов которого соединена с соответствующими входами вторых АТТ и ФВ.
На фиг. 1 приведенас труктурная схема устройства стабилизации амплитудно-фазовых характеристик приемо-передающих каналов АФАР.
Устройство содержит первые АТТ 1, ФВ 2 и УМ 3, второй УМ 4, делитель 5, рефлектометр 6, первый 7 и второй 8 переключатели, контроллер 9, малошумящий усилитель 10, вторые АТТ 11 и ФВ 12, первый 13 и второй 14 ответвители, первый 15 и второй 16 циркуляторы, третий ответвитель 17, группу 18 детекторов, приемо-передающую антенну 19 и вывод 20 СВЧ устройства, а также вход 21 «задание» и входы 22 и 23 управления указанными выше переключателями.
Передающий канал состоит из последовательно соединенных первых цифрового аттенюатора (АТТ) 1, фазовращателя (ФВ) 2 и усилителя мощности (УМ) 3, а приемный канал - из последовательно соединенных малошумящего усилителя приемного канала 10 и вторых АТТ 11, ФВ 12 и УМ 4, при этом вход малошумящего усилителя 10 приемного канала соединен с выходом первого переключателя 7, первый вход которого соединен с выходом первого циркулятора 15, двунаправленный вывод которого связан с приемо-передающей антенной 19, а вывод 20 СВЧ устройства соединен с двунаправленным выводом второго циркулятора 16, вход 21 устройства «задание», связан с соответствующим входом контроллера 9, первый ответвитель 13 соединяет выход второго циркулятора 16 со входом первого АТТ 1, второй ответвитель 14 соединяет выход второго УМ 4 со входом второго циркулятора 16, а третий ответвитель 17 соединяет выход первого УМ 3 со входом первого циркулятора 15, ответвления первого 13, второго 14 и третьего 17 ответвителей соединены соответственно со входом делителя 5, с первым входом второго переключателя 8 и со вторым входом второго переключателя 8, третий вход 23 которого является входом управления, а выход которого соединен с первым входом рефлектометра 6, второй вход которого соединен с первым выходом делителя 5, второй выход которого соединен со вторым входом первого переключателя 7, третий вход которого является входом 22 управления, группа 18 квадратурных выходов рефлектометра 6 соединена через соответствующие детекторы с соответствующими входами контроллера 9, первая группа управляющих выходов которого соединена с соответствующими входами первых АТТ 1 и ФВ 2, а вторая группа управляющих выходов которого соединена с соответствующими входами вторых АТТ 11 и ФВ 12.
В устройстве используются элементы широкого применения.
Все элементы устройства (кроме рефлектометра 6 и контроллера 9) представляют собой полосковые СВЧ - элементы, основанные на использовании Asge - кристаллов.
Рефлектометр 6 представляет собой аналоговый узел, сопоставляющий между собой анализируемый реальный сигнал и известный опорный сигнал, а контроллер 9 - типовую управляющую микросхему, например, фирмы Atmel.
Устройство работает следующим образом
Перед началом работы обеспечивают (например, с помощью ЦЭВМ) установку переключателей 7 и 8 через входы 22 и 23, выдачу задания через вход 21 и подачу сигнала СВЧ на вывод 20.
Оперативный контроль работоспособности устройства осуществляют, когда переключатель 7 устанавливают в положение, при котором вход усилителя 10 соединен с выходом делителя 5, а переключатель 8 - в положение, при котором вход рефлектометра 6 соединен с ответвлением ответвителя 14. При этом для известных сигналов на входах 20 и 21 и опорных сигналов, снимаемых с выходов делителя 5, при исправном устройстве контроллер 9 получает с выходов рефлектометра 6 через группу 18 ожидаемые данные.
Процесс стабилизации амплитудно-фазовых параметров рассмотрим для передающего канала, когда переключатель 8 переключают (например, с помощью ЦЭВМ через вход 23) в положение, при котором вход рефлектометра 6 соединен с ответвителем 17, как на фиг. 1). Для приемного канала он аналогичен, но при другом положении переключателя 8.
На вход передающего канала (фиг. 1, цепочка из элементов 13, 1, 2, 3, 17, 15 и 19) поступает через вывод 20 СВЧ устройства и далее через циркулятор 16 высокочастотный сигнал возбуждения, фаза и амплитуда которого устанавливается цифровыми аттенюатором 1 и фазовращателем 2. Управляющие команды формируются в контроллере 9, на вход 21 которого подаются (например, из ЦЭВМ) заданные значения амплитуды и фазы. Фактическое значение амплитуды и фазы несущей сигнала на выходе канала отличается от установленного вследствие множества дестабилизирующих факторов (неравномерность частотной характеристики, температура, рассогласование в тракте и т.д.). С помощью рефлектометра 6 определяются квадратурные составляющие сигнала на
выходе канала, после детектирования (например, с помощью группы 18 детекторов), фильтрации и цифрового преобразования можно получить фактическое значение амплитуды и фазы сигнала. В контроллере 9 выполняется операция сравнения амплитуды и фазы заданного и сформированного в канале сигналов и находится их численное значение - погрешность установки параметров канала. Контроллер 6 формирует команды установки фазовращателя 2 и аттенюатора 1 с учетом этой погрешности, - добавляя ее или вычитая из заданных значений, таким образом, минимизируя ее величину. Совокупность узлов - аттенюатор 1, фазовращатель 2, усилитель 3, ответвитель 17, рефлектометр 6, контроллер 9 образуют систему с изменяемыми параметрами, охваченную отрицательной обратной связью, позволяющей устранить нестабильности в ее составных частях.
При этом на входы шестиполюсного рефлектометра поданы опорный сигнал (через ответвитель 13 и делитель 5) и контролируемый сигнал с передающего либо приемного каналов (через переключатель 8). В результате суперпозиции двух СВЧ сигналов на его выходах формируются четыре сигнала с различным соотношением амплитуд, позволяющие восстановить квадратурные составляющие (амплитуды и фазы) измеряемого сигнала. После оцифровывания сигналов в контроллере 9, выполняется сравнение заданных значений и фактически измеренных в канале. Полученная разница добавляется (вычитается) к управляющим ФВ 2 и АТТ 1 сигналам таким образом, чтобы минимизировать их значения. Откорректированные значения вводятся в соответствующие ФВ 2 и АТТ 1 передающего канала.
Для приемного канала (фиг. 1, цепочка элементов 19, 15, 7, 10, 11, 12, 4, 14 и далее циркулятор 16 и вывод 20) устройство работает аналогично, но, когда переключатель 8 устанавливают в положение, соединяющее вход рефлектометра 6 с ответвителем 14.