Способ контроля исправности приемо-усилительных каналов активной фазированной антенной решетки
METHOD FOR MONITORING SERVICEABILITY OF RECEIVING-AMPLIFICATION CHANNELS OF AN ACTIVE PHASED ANTENNA ARRAY

Изобретение относится к радиолокационной технике и может быть использовано для контроля исправности приемо-усилительных каналов приемо-передающих модулей активных фазированных антенных решеток (АФАР), обеспечивающих формирование диаграммы направленности заданной формы, изменяемой в пространстве электронным путем.
В настоящее время широко используются АФАР, у которых к каждому излучателю (антенному элементу) подключен передатчик и приемник через развязывающие устройства, которые имеют отклонения параметров от номинального значения, вызванные погрешностями при изготовлении, температурными воздействиями, старением или выходом из строя. В результате амплитуды и фазы сигналов на выходах разных каналов многоканальной системы будут отличаться от расчетных значений. Это вызывает ошибки в амплитудно-фазовом распределении вдоль апертуры АФАР относительно расчетных величин и, в конечном счете, вызывает ухудшение таких важнейших параметров, как коэффициент направленного действия, коэффициент полезного действия АФАР, а также приводит к изменениям значения уровня боковых лепестков. Так, например, уровень боковых лепестков в зависимости от амплитудных и фазовых ошибок в каналах АФАР может возрастать на десятки дБ [Проектирование фазированных антенных решеток. Под ред. Д.И. Воскресенского. М.: Радиотехника, 2003, стр. 446-447].
Наиболее важно для сохранения расчетных параметров АФАР в процессе эксплуатации своевременно выявлять отказы отдельных приемо-усилительных каналов, для чего необходимо периодически проводить автоматизированный контроль параметров многоканального приемо-передающего тракта АФАР.
Из уровня техники известен способ тестирования каналов фазированной антенной решетки (ФАР), реализованный в радиолокаторе с фазированной антенной решеткой и системой тестирования ее каналов (Патент РФ №2562068, МПК: G01S 7/40, опубликовано 10.09.2015). В данный радиолокатор с ФАР, содержащий опорный генератор, блок управления и первичной обработки сигнала, приемник, передатчик и устройство распределения мощности введена вынесенная антенна и три двухпозиционных переключателя, первый из которых соединен с вынесенной антенной и обеспечивает ее подключение ко второму или третьему переключателю, второй переключатель соединен с выходом передатчика и обеспечивает его подключение к первому переключателю, а третий переключатель соединен с приемником и обеспечивает его подключение к первому переключателю. Зарегистрированное блоком управления и первичной обработки сигнала текущее амплитудно-фазовое распределение сигналов в тестируемых приемных каналах сравнивают с эталонным амплитудно-фазовым распределением (хранящимся в памяти блока управления и первичной обработки сигнала). В случае отличия тестируемого распределения от эталонного в соответствующие приемные каналы вводят поправки, компенсирующие разность тестируемого и эталонных распределений. Эти поправки обеспечиваются введением дополнительных фазовых сдвигов в управляемые фазовращатели приемных каналов приемо-передающих модулей и дополнительным изменением затухания, вносимого управляемыми аттенюаторами приемных каналов приемо-передающих модулей.
К недостаткам такого способа можно отнести использование дополнительной антенны и активных двухпозиционных переключателей, что приводит к необходимости введения функции контроля исправности каждого из переключателей. Дополнительная антенна также накладывает ограничения на объект размещения по своим габаритным размерам и требованиям к месту установки. При сравнении амплитудно-фазового распределения с эталонным значением также не принимается во внимание ухудшение параметров переключателей, что может привести к ошибкам измерения амплитудно-фазового распределения и как следствие к неправильно выбранным поправкам, вводимым в приемные каналы.
В качестве прототипа для заявляемого способа выбран способ контроля работоспособности фазированной антенной решетки (Авторское свидетельство СССР №1666979, МПК: G01R 29/10, опубликовано 30.07.1991), заключающийся в последовательном контроле работоспособности каждого канала ФАР, изменении фазы в контролируемом канале и проведении измерений параметров сигнала на выходе сумматора ФАР при облучении апертуры ФАР внешним источником излучения, расположенным в минимуме ее диаграммы направленности, обеспечиваемом противофазным суммированием сигналов неконтролируемых каналов ФАР, определении по результатам измерения параметров сигнала на выходе сумматора ФАР степени работоспособности антенной решетки. При этом измерения параметров сигнала на выходе сумматора ФАР производят путем подключения контролируемого канала ФАР к излучателю, расположенному вблизи внешнего источника излучения, а неконтролируемых каналов ФАР - к излучателям, расположенным на противоположной, затененной от поля внешнего источника излучения стороне апертуры ФАР.
К недостаткам данного способа можно отнести использование внешней относительно контролируемой ФАР антенны, размещение которой на подвижных объектах порой невозможно, а также необходимость обеспечения фиксированного уровня тестового сигнала для оценки работоспособности канала, что крайне сложно в условиях реальной эксплуатации в большом диапазоне температур и естественного дрейфа параметров источника тестового сигнала.
Техническая проблема, решаемая созданием данного изобретения, заключается в недостаточно высокой точности определения отказавших приемо-усилительных каналов АФАР.
Технический результат заявляемого изобретения направлен на повышение точности определения отказавших приемо-усилительных каналов АФАР.
Достигаемый технический результат заключается в последовательном контроле работоспособности приемо-усилительных каналов приемо-передающих модулей АФАР, изменении фазы в контролируемом канале и проведении измерений параметров сигнала на выходах сумматора АФАР. При этом для проведения контроля исправности приемо-усилительных каналов дополнительно используют пассивный делитель тестового сигнала, на вход которого в режиме автоматизированного контроля с блока управления и обработки сигналов АФАР посредством тестового канала подают тестовые импульсные последовательности на рабочей несущей частоте. После деления тестовые импульсные последовательности через излучающие элементы направляют в каждый из приемо-усилительных каналов. При этом параметры сигналов измеряют на суммарном и разностном выходах сумматора АФАР с помощью блока управления и обработки сигналов, на входы которого измеряемые сигналы подают посредством суммарного и разностного каналов соответственно. Контроль исправности выполняют в два этапа. На первом этапе проводят проверку исправности тестового канала, при этом определяют разницы амплитуд тестовых импульсов на суммарном и разностном выходах сумматора, измеренных сначала при выключенных приемо-усилительных каналах, а затем при половине включенных синфазных приемо-усилительных каналов. Полученные значения разниц амплитуд сравнивают с пороговой величиной, которую определяют эмпирически на этапе изготовления АФАР. В случае принятия решения об исправности тестового канала и с учетом исправности суммарного и разностного каналов приступают ко второму этапу проверки, на котором проверяют исправность каждого приемо-усилительного канала путем последовательного поочередного их включения и измерения амплитуд тестовых импульсов на суммарном и разностном выходах сумматора для различных значений фазовращателей приемо-передающих модулей АФАР. Зарегистрированные блоком управления и обработки сигналов усредненные значения амплитуд тестовых импульсов каждого приемо-усилительного канала сравнивают между собой. При нахождении полученных значений амплитуд каждого приемо-усилительного канала в установленных границах относительно максимального опорного значения амплитуды по каждому из каналов принимают решение о его исправности, либо в противном случае - решение о его отказе. При этом решение об исправности принимают по следующему критерию:
ипк
|Ui-Uоп|≤ΔU,
где Ui - измеренная усредненная амплитуда i-го канала,
Uоп - максимальное опорное значение амплитуды,
ΔUипк - пороговая величина для оценки исправности приемо-усилительных каналов, определяемая эмпирически.
Сущность заявляемого изобретения состоит в том, что для проведения контроля исправности приемо-усилительных каналов АФАР используют пассивный делитель тестового сигнала. В режиме автоматизированного контроля на делитель тестового сигнала от блока управления и обработки сигналов АФАР посредством тестового канала подают тестовые импульсные последовательности на рабочей несущей частоте. После деления данные импульсные последовательности через излучающие элементы направляют в каждый из приемно-усилительных каналов приемо-передающих модулей АФАР. Контроль исправности приемо-усилительных каналов проводят в два этапа. На первом этапе проводят проверку исправности тестового канала путем сравнения с заданной пороговой величиной разницы амплитуд тестовых импульсов на выходах сумматора АФАР: измеренных при выключенных приемо-усилительных каналах и измеренных при половине включенных синфазных каналов. Используемая в данном случае пороговая величина определяется эмпирически на этапе изготовления АФАР. В случае принятия решения об исправности тестового канала приступают ко второму этапу проверки, на котором проверяют исправность каждого приемо-усилительного канала путем последовательного поочередного их включения и измерения амплитуд тестовых импульсов на суммарном и разностном выходах сумматора для различных значений фазовращателей приемо-передающих модулей АФАР. После этого зарегистрированные блоком управления и обработки сигналов усредненные значения амплитуд тестовых импульсов каждого приемо-усилительного канала сравнивают между собой и при нахождении этих значений в установленных границах относительно максимального опорного значения амплитуды по каждому из каналов принимают решение о его исправности, либо в противном случае - решение о его отказе.
Решение об исправности или отказе канала принимается независимо от уровня подаваемого тестового сигнала. Полученные при автоматизированном контроле расхождения амплитуд между исправными каналами могут использоваться для последующей калибровки АФАР с учетом заданных коэффициентов передачи между выходами делителя тестового сигнала и излучающими элементами.
Рассмотрим реализацию предлагаемого способа на примере четырехэлементной АФАР с суммарно-разностной обработкой, схема которой приведена на фиг. 1. Необходимо отметить, что на практике число приемо-усилительных каналов в АФАР может быть любым четным числом.
Четырехэлементная АФАР включает в себя пассивный делитель тестовых сигналов (ДТС) 1, первый излучающий элемент (ИЭ1) 2, второй излучающий элемент (ИЭ2) 3, третий излучающий элемент (ИЭ3) 4, четвертый излучающий элемент (ИЭ4) 5, первый приемо-передающий модуль (ППМ1) 6, второй приемо-передающий модуль (ППМ2) 7, третий приемо-передающий модуль (ППМ3) 8, четвертый приемо-передающий модуль (ППМ4) 9, сумматор 10 и блок управления и обработки сигналов (БУОС) 11.
Входы ИЭ1 2, ИЭ2 3, ИЭ3 4 и ИЭ4 5 соединены соответственно с первым, вторым, третьим и четвертым выходами ДТС 1, а их выходы подключены соответственно к входам ППМ1 6, ППМ2 7, ППМ3 8 и ППМ4 9, выходы которых соответственно соединены с первым, вторым, третьим и четвертым входами сумматора 10. Первый выход сумматора 10 является суммарным выходом и соединен с первым входом БУОС 11 посредством суммарного канала (СК) 12, а второй его выход является разностным выходом и соединен со вторым входом БУОС 11 посредством разностного канала (РК) 13. При этом выход БУОС 11 подключен к входу ДТС 1 при помощи тестового канала (ТК) 14, предназначенного для передачи по нему тестовых сигналов. Суммарный канал 12, разностный канал 13 и тестовый канал 14 выполнены в виде специальных кабелей с необходимым сечением и необходимой длиной.
При изготовлении АФАР проводится настройка устройств распределения и фазирования приемо-передающих модулей таким образом, что бы усиление всех приемо-усилительных каналов антенной системы было одинаковым с заданным допуском. Формирование требуемой диаграммы направленности при отклонениях луча электронным путем происходит путем введения необходимого расчетного затухания и фазового сдвига в каждом канале управляемыми фазовращателями и аттенюаторами. Таким образом, при выставленных в каждом приемо-усилительном канале в режиме автоматизированного контроля нулевых значениях затуханий аттенюаторов, поканальное амплитудное распределение АФАР будет равномерным и значения амплитуд сигналов с выходов приемо-усилительных каналов будет с небольшой погрешностью одинаковым. При отказе какого-либо из каналов значение амплитуды сигнала на его выходе будет сильно отличаться от других исправных каналов.
Контроль исправности приемо-усилительных каналов приведенной четырехэлементной АФАР осуществляется в два этапа.
На первом этапе проводится проверка исправности тестового канала АФАР.
В режиме автоматизированного контроля производят выключение всех приемо-усилительных каналов (например, путем установки значений аттенюаторов устройства распределения и фазирования всех ППМ на максимальное затухание). На ДТС 1 с выхода БУОС 11 (от его задающего генератора) посредством тестового канала 14 подают пачку тестовых импульсных последовательностей на рабочей несущей частоте, которые далее поступают через излучающие элементы в приемо-усилительные каналы ППМ АФАР. При этом в сумматоре 10 осуществляется обработка сигналов с выходов каждого ППМ. Затем с помощью БУОС 11 производят измерение усредненной амплитуды тестовых импульсов (сигналов) Uраз1 на разностном выходе сумматора 10 посредством передачи сигналов с его второго выхода на второй вход БУОС 11 по разностному каналу 13, а также усредненной амплитуды тестовых импульсов Uсум1 на суммарном его выходе посредством передачи сигналов с его первого выхода на первый вход БУОС 11 по суммарному каналу 12. После этого включают половину приемо-усилительных каналов ППМ, подключенных к входам сумматора 10 (устанавливаются нулевые значения аттенюаторов в устройстве распределения и фазирования ППМ), в которых сигналы при суммарно-разностном распределении складываются синфазно (синфазные приемо-усилительные каналы), остальные каналы выключают (устанавливается максимальное затухание аттенюаторов в устройстве распределения и фазирования ППМ). На ДТС 1 от задающего генератора БУОС 11 также подают пачку тестовых импульсных последовательностей на рабочей несущей частоте и производят с помощью БУОС 11 измерение усредненной амплитуды тестовых импульсов Uраз2 на разностном выходе сумматора 10 и усредненной амплитуды тестовых импульсов Uсум2 на суммарном его выходе, значения которых с небольшой погрешностью должны быть одинаковы.
Решение об исправности тестового канала 14 принимают с учетом исправности суммарного 12 и разностного 13 каналов и при одновременном выполнении условий (сравнение разниц измеренных амплитуд):
Uраз2 превышает Uраз1 не менее, чем на ΔUитк,
Uсум2 превышает Uсум1 не менее, чем на ΔUитк,
где ΔUитк - пороговая величина для оценки исправности тестового канала, которая определяется эмпирическим путем (рассчитывается и устанавливается исходя из заданных (полученных при изготовлении) погрешностей коэффициентов передачи между выходами ДТС 1 и излучающими элементами АФАР, коэффициентов усиления приемо-передающих модулей, коэффициента передачи сумматора 10 по разностному 13 и суммарному 12 каналам, а также высокочастотной кабельной сети). При полученной исправности тестового канала 14 приступают к дальнейшей проверке исправности приемо-усилительных каналов, в противном случае дальнейшие проверки исправности каналов не проводят и формируют следующие сообщения об отказах:
при Uраз2<Uраз1 и Uсум2<Uсум1 - «Отказ тестового канала»;
при Uраз2>Uраз1 и Uсум2<Uсум1 - «Отказ суммарного канала»;
при Uраз2<Uраз1 и Uсум2>Uсум1 - «Отказ разностного канала».
На втором этапе выполняют проверку исправности приемо-усилительных каналов ППМ АФАР.
Последовательно поочередно включают по одному приемо-усилительному каналу (для проверяемого канала устанавливается нулевое значение аттенюатора в устройстве распределения и фазирования ППМ), при этом остальные каналы выключают (устанавливается максимальное затухание аттенюаторов в устройстве распределения и фазирования ППМ). В контролируемом канале изменяют фазу, для чего последовательно переключают разряды фазовращателей в устройстве распределения и фазирования ППМ (при этом контролируется работа фазовращателей, а также происходит ослабление влияния непроверяемых каналов АФАР) и на ДТС 1 с выхода БУОС 11 посредством тестового канала 14 подают пачку тестовых импульсных последовательностей на рабочей несущей частоте. Производят измерения усредненных амплитуд тестовых импульсов на суммарном (или разностном) выходе сумматора 10 для различных значений фазовращателей, затем определяют максимальное значение амплитуды для проверяемого канала Ui, где i - номер проверяемого приемо-усилительного канала. Аналогичным образом оценивают остальные приемо-усилительные каналы ППМ АФАР.
Далее проводят анализ полученных значений измеренных усредненных амплитуд для всех приемо-усилительных каналов АФАР.
На фиг. 2 графически представлены значения измеренных усредненных амплитуд для всех приемо-усилительных каналов N-канальной АФАР.
Зарегистрированные БУОС 11 усредненные значения амплитуд тестовых импульсов каждого приемо-усилительного канала сравнивают между собой. Среди измеренных усредненных амплитуд всех каналов определяют максимальное опорное значение. Решение об исправности каналов принимают по следующему критерию:
ипк
|Ui-Uоп|≤ΔU,
где Ui - измеренная усредненная амплитуда i-го канала,
Uоп - максимальное опорное значение амплитуды,
ΔUипк - пороговая величина для оценки исправности приемо-усилительных каналов, определяемая эмпирически.
ΔUипк определяется эмпирическим путем (рассчитывается и устанавливается исходя из заданных (полученных при изготовлении) погрешностей коэффициентов передачи между выходами ДТС 1 и излучающими элементами АФАР, коэффициентов усиления ППМ, коэффициента передачи сумматора 10 по разностному 13 и суммарному 12 каналам, а также высокочастотной кабельной сети). ΔUипк устанавливает границы относительно Uоп, в пределах которых будут находится значения Ui. Таким образом, если данное условие выполняется, то принимают решение об исправности i-го канала, в противном случае принимают решение о его отказе. При расчете целесообразно воспользоваться вероятностными критериями оценки правильности определения отказавших каналов.
По изменению значений амплитудного и фазового распределений в процессе контроля приемо-усилительных каналов при различных положениях аттенюаторов и фазовращателей дополнительно контролируют исправность работы устройств распределения и фазирования ППМ. Полученные значения также могут учитываться при автоматической калибровке каналов АФАР.
Предложенный способ является универсальным и применим для различных антенных решеток, позволяя уже на этапе проектирования определить требуемые параметры изготовления антенно-фидерного тракта, а так же значительно повысить точность определения отказавших приемо-усилительных каналов и исключить ложную отбраковку исправных каналов.