СПОСОБ ВСТРОЕННОГО КОНТРОЛЯ ХАРАКТЕРИСТИК ФАЗИРОВАННОЙ АНТЕННОЙ РЕШЕТКИ Российский патент 2001 года по МПК G01R29/10 H01Q3/26 

Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано при контроле характеристик диаграммы направленности фазированной антенной решетки с дискретным управлением фазами токов возбуждения излучателей с помощью p-разрядных полупроводниковых фазовращателей.

Известен модуляционный способ контроля характеристик диаграммы направленности фазированной антенной решетки, реализованный в пат. 3378846 (США, НКИ 343-100), в котором путем поочередного сверхвысокочастотного (СВЧ) контроля всех каналов управления в каждом из L=2^p их состояний, где p - число разрядов фазовращателя канала управления, осуществляется контроль характеристик фазированной антенной решетки. Способ заключается в том, что фазовращатель контролируемого канала управления переключается из одного состояния в другое и обратно с частотой Ω и анализируется спектр суммарного сигнала фазированной антенной решетки с целью определения комплексной амплитуды первой боковой гармоники ω₁, отстоящей от основной частоты ω_o на Ω, которая принимается за амплитуду возбуждения излучателя. Измерение параметров выделяемой модуляционной составляющей сигнала позволяет получить характеристики отдельного канала управления, выявить неисправные каналы управления и провести расчет характеристик суммарной диаграммы направленности фазированной антенной решетки.

Недостатком данного способа является то, что он требует большого времени на проведение измерений характеристик всех каналов управления, обладает недостаточной точностью измерения характеристик диаграммы направленности, не учитывает взаимовлияния каналов управления и требует вывода радиолокационной станции из штатного режима на длительное время.

В А.с. 1062621 (СССР, МКИ G 01 R 29/10) предложен способ определения характеристик диаграммы направленности фазированной антенной решетки, в котором при реализации модуляционного способа в соответствии с пат. 3378846 (США, НКИ 343-100) учитывается взаимовлияние отдельных каналов управления путем измерения характеристик каждого канала управления при случайном фазировании соседних каналов в круге радиусом 2-4 длины волны от контролируемого.

Недостатком данного способа является то, что он также требует большого времени на проведение измерений характеристик всех каналов управления и выведения радиолокационной станции из штатного режима на длительное время.

Сократить время на проведение измерений и повысить точность определения характеристик диаграммы направленности фазированной решетки позволяет известный способ контроля, который выбран в качестве прототипа (заявка 60-123107 (Япония), МКИ H 01 Q 3/36), методом вращения поля излучающего элемента, заключающийся в том, что проводится амплитудная модуляция поля фазированной антенной решетки путем последовательного изменения всех состояний фазовращателя (от 1-го до L-го) контролируемого канала управления и цифровая обработка принятого суммарного модулированного сигнала. В случае идеально настроенного канала управления фаза колебаний на выходе соединенного с ним излучателя изменяется с каждым переключением фазовращателя на одну и ту же величину ΔΦ (дискрет переключения фазовращателя), а вносимые потери каналом управления являются постоянной величиной ΔP, поэтому, в результате калибровки, получается эталонная зависимость изменения амплитуды поля фазированной антенной решетки при L переключениях фазовращателя. В процессе контроля каналов управления определяются отношения максимальных значений амплитуды поля фазированной антенной решетки к минимальным, а также фазовый сдвиг ΔФ при максимальном значении амплитуды. В результате сравнения полученного значения с эталонным определяется влияние каждого канала управления на диаграмму направленности фазированной антенной решетки.

Недостатком способа является то, что он требует выведения радиолокационной станции из штатного режима функционирования, что делает невозможным его применение в радиолокационных станциях (РЛС), обеспечивающих сопровождение быстролетящих объектов наблюдения в условиях воздействия разрушающих и возмущающих дестабилизирующих факторов и требующих оперативного контроля диаграммы направленности фазированной антенной решетки без выведения РЛС из штатного режима. Данный способ по технической сущности является наиболее близким к предлагаемому изобретению и выбран в качестве прототипа.

Целью предлагаемого изобретения является расширение области применения.

Поставленная цель достигается тем, что для определения характеристик диаграммы направленности фазированной антенной решетки проводится СВЧ-контроль излучателей и соединенных с ними каналов управления в каждом из L=2^p их состояний (p - число разрядов фазовращателя) путем амплитудной модуляции поля фазированной антенной решетки последовательным изменением всех состояний фазовращателей контролируемых каналов управления и в каждом состоянии определяются отношение максимального значения амплитуды поля фазированной антенной решетки к минимальному - A_0i и фазовый сдвиг ΔФ_i (где i=1...N, a N - число элементов ФАР) при максимальном значении амплитуды, которые сравниваются с их эталонными значениями A_этi и Ф_этi, кроме того, проводимому без вывода радиолокационной станции из штатного режима в интервалы времени, находящиеся за пределами стробируемых участков дальности, СВЧ-контролю подвергаются лишь те излучатели, каналы управления которых оказались неисправными в результате анализа реакций их фазовращателей на команды управления лучом антенной решетки, и если в результате СВЧ-контроля параметры A_0i оказывается ниже своих эталонных значений A_этi, то осуществляется оценка влияния вышедших из строя излучателей, при которой фазовращатели всех излучателей, находящихся в круге радиусом 2-4 длины волны от контролируемого, перефазируются и в каждом состоянии путем СВЧ-контроля определяются параметры A_0i и ΔФ_i, сравниваемые с их эталонными значениями A_этi и Ф_этi, различия между значениями A_0i и A_этi, ΔФ_i и Ф_этi, а также результаты анализа реакций фазовращателей на команды управления лучом антенной решетки учитываются в процессе моделирования диаграммы направленности фазированной антенной решетки.

Таким образом, предлагаемое изобретение имеет следующие отличительные черты по сравнению с прототипом: определение характеристик диаграммы направленности фазированной антенной решетки (ФАР) осуществляется без вывода радиолокационной станции из штатного режима в интервалы времени, находящиеся за пределами стробируемых участков дальности; СВЧ-контролю подвергаются лишь те излучатели, каналы управления которых оказались неисправными в результате анализа реакций их фазовращателей на команды управления лучом антенной решетки; объем СВЧ-контроля определяется результатами анализа параметра A_0i, и если он оказывается ниже своего эталонного значения A_этi, то контролируемый излучатель считается вышедшим из строя и осуществляется оценка его влияния на характеристики отстоящих от него на 2-4 длины волны излучателей, в ходе которой осуществляется СВЧ-контроль их параметров - A_0i и ΔФ_i и сравниваемые с их эталонными значениями A_этi и Ф_этi; оценка параметров диаграммы направленности ФАР осуществляется на основе результатов контроля, которые вносят изменения в исходные данные, используемые для ее расчета.

Выполнение указанных операций позволяет реализовать предлагаемый способ в радиолокационных станциях, обеспечивающих сопровождение быстролетящих объектов наблюдения в условиях воздействия разрушающих и возмущающих дестабилизирующих факторов и требующих оперативного контроля диаграммы направленности фазированной антенной решетки без выведения РЛС из штатного режима.

На фиг. 1 приведен вариант технической реализации предлагаемого способа; на фиг. 2 - огибающие амплитуд токов возбуждения излучателей ФАР при возможных неисправностях канала управления (L = 8).

Изображенное на фиг. 1 устройство содержит: 1 - измерительный зонд; 2 - излучатель ФАР; 3 - канал управления ФАР; 4 - блок управления фазовращателями; 5 - цифровое вычислительное устройство (ЦВУ); 6 - блок контроля состояния каналов управления ФАР; 7 - фазированная антенная решетка; 8 - измеритель амплитуд и фаз; 9 - делитель-сумматор; 10 - приемопередающий блок.

Контроль характеристик диаграммы направленности по предложенному способу осуществляется следующим образом.

При нормальной работе ФАР (до первого отказа) реализуется контроль функционирования каналов управления ФАР, в основе которого лежит анализ состояний переключающих элементов фазовращателей после установки их в состояния, соответствующие заданному положению луча ФАР. Реализация такого контроля может быть осуществлена в соответствии с а.с. 1781641 (СССР, МКИ G 01 R 29/10), а.с. 321232 (СССР, МКИ G 01 R 29/10), а.с. 275531 (СССР, МКИ G 01 R 29/10), пат. 4005361 (США, МКИ G 01 R 31/02), пат. 2542435 (ФРГ, МКИ H 01 Q 3/26, G 01 R 3/28). Информация о перечисленных факторах поступает на ЦВУ, осуществляющее моделирование диаграммы направленности антенны (ДНА) и определение ее характеристик.

После выявления отказавшего канала управления ФАР оценивается амплитуда тока возбуждения соединенного с ним излучателя путем амплитудной модуляции поля фазированной антенной решетки последовательным изменением всех L состояний фазовращателей контролируемых каналов управления в соответствии с известным способом-прототипом и определения отношения максимального значения амплитуды поля фазированной антенной решетки к минимальному
A_maxi/A_mini=A_0i.

На фиг. 2 в качестве примера изображены возможные огибающие токов возбуждения связанных с неисправным каналом управления излучателей, которые не имеют механических повреждений: а - канал исправен; б - отказ дискрета 180^o; в - отказ дискрета 90^o; г - отказ дискрета 45^o; д - отказ дискретов 180^o и 90^o; е - отказ дискретов 180^o и 45^o; ж - отказ дискретов 90^o и 45^o; з - отказ всех дискретов; и - отсутствие возбуждения. В рассматриваемом примере каналы управления используют трехразрядные проходные pin-диодные фазовращатели. В качестве возможных неисправностей рассматриваются обрывы в цепях переключающих элементов секций фазовращателей и срез возбуждающего фидера. Предполагается, что при выявлении короткозамкнутых переключающих элементов фазовращателей от них с помощью устройств автоматики отключается питание. Поэтому при дальнейшем рассмотрении отказы такого типа будут проявлять себя как и обрывы в цепях переключающих элементов.

Перечисленные операции осуществляются без выведения РЛС из штатного режима в интервалы времени, находящиеся за пределами стробируемых участков дальности. В соответствии с данными, приведенными в книгах: Хижа Г.С., Вендик И.Б., Серебрякова Е.А. СВЧ-фазовращатели и переключатели. - М.: Радио и связь, 1984. - 184 с. и Справочник по радиолокации /под ред. М. Сколника. - М.: Сов. радио, 1976, т. 2., время переключения состояний полупроводникового фазовращателя составляет единицы наносекунд, а ферритовых - единицы микросекунд. Поэтому выделить участок в несколько сотен метров (1 микросекунда - 150 метров) для проведения СВЧ-контроля состояния излучателя не вызывает затруднений. При инерционности имеющихся в наличии средств регистрации измерения амплитуды могут осуществляться по одному из L (L - число состоянии фазовращателей) измерений за период следования зондирующих импульсов.

На время контроля ФАР расфазируется (все ее фазовращатели устанавливаются в состояния Φ_i= 0. Информация об эталонных значениях амплитуд токов возбуждения i-x фазовращателей ФАР A_is при различных сочетаниях отказов их каналов управления (s - номер вида отказа) и разлапых командах управления хранится в памяти вычислительного устройства, осуществляющего расчет характеристик диаграммы направленности.

При условии если A_0s = A_is, т.е. излучатель отказавшего канала управления не имеет механических повреждений, информация о вышедшем из строя канале управления (его координаты, номер отказавшей секции, вид отказа) поступает на ЦВУ. Диаграмма направленности при этом определяется в соответствии с известным выражением для множителя ФАР (см. Антенны и устройства СВЧ. Проектирование фазированных антенных решеток./ под ред. Д.И. Воскресенского. - М.: Радио и связь, 1994, - 592 с.)

где A_i - амплитуда тока возбуждения i-го излучателя ФАР;
Ф_i - фаза тока возбуждения i-го излучателя ФАР (для выбранного направления излучения).

В случае соли A_0s < A_is, т.е. установлен факт механического повреждения излучателя ФАР, то с помощью способа-прототипа оценивается изменение комплексной амплитуды возбуждения отказавшего канала управления ФАР и влияние этого изменения на характеристики соседних каналов управления, отстоящих от отказавшего на расстояния до 4λ в соответствии с а.с. 1062621 (СССР, МКИ G 01 R 29/10) осуществляется оценка влияния вышедших из строя излучателей, при которой фазовращатели всех излучателей, находящихся в круге радиусом 2-4 длины волны от контролируемого, перефазируются и в каждом состоянии путем СВЧ-контроля определяются параметры A_0i и ΔФ_i, сравниваемые с их эталонными значениями A_этi и Ф_этi, различия между значениями A_0i и A_этi, ΔФ_i и Ф_этi. Эти данные (как и результаты анализа реакций фазовращателей на команды управления лучом) отправляются на вычислительное устройство, где они учитываются в модели ФАР при определении характеристик ее ДН. Такой контроль характеристик ФАР может быть реализован в штатном режиме работы РЛС.

Техническая реализуемость предлагаемого способа может быть проиллюстрирована на примере устройства встроенного контроля характеристик ФАР, изображенного на фиг. 1.

В рассматриваемом примере ФАР 7 с равноамплитудным фидерным возбуждением состоит из излучателей 2, фазы токов возбуждения которых устанавливаются с помощью канала управления излучателем 3, представляющим трехразрядный полупроводниковый фазовращатель (т. е. дискрет переключения ΔΦ =^o45, число состояний L = 2^p=8), в качестве коммутационных элементов которого используются pin-диоды. Устройство управления секцией дискретного полупроводникового фазовращателя может быть выполнено в соответствии с патентом США N 3840827 (МКИ H 01 P 1/18).

Блок управления фазовращателями 4 представляет собой вычислительное устройство, реализующее расчет требуемых фаз токов возбуждения излучателей 2 ФАР 7 в соответствии с кодом требуемого углового положения луча ФАР. При выявлении отказов блок управления фазовращателями 4 за пределами стробируемых участков дальности осуществляет последовательное изменение всех L состояний фазовращателя контролируемого канала, при этом фазовращатели всех остальных каналов устанавливаются в нулевые состояния. При выявлении механических повреждений излучателей (A_0s < A_is) блок управления фазовращателями 4 в соответствии с командами, поступающими от ЦВУ 5, осуществляет перефазировку фазовращателей всех излучателей в круге радиусом 2-4 длины волны от контролируемого излучателя для оценки влияния поврежденного излучателя на амплитудно-фазовое распределение.

Делитель-сумматор 9 обеспечивает распределение СВЧ-энергии, поступающей на него от приемопередающего блока 10, при работе радиолокационной станции в режиме "Передача", а также суммирование сигналов, поступающих на излучатели 2 ФАР 7, и передачу их к приемопередающему блоку 10 в режиме "Прием".

Блок контроля каналов управления 6, после установки их в состояния в соответствии с командами блока управления фазовращателями 4, осуществляет контроль состояний переключающих элементов фазовращателей и сравнивает их с рассчитанными в блоке 4. При несоответствии реального состояния рассчитанному, на основе анализа реального состояния, выдается информация на ЦВУ 5 о характере отказа. Блок контроля каналов управления может быть реализован в виде одного из устройств, предложенных в а.с. 1781641 (СССР, МКИ G 01 R 29/10), а. с. 321232 (СССР, МКИ G 01 R 29/10), a.c. 275531 (СССР, МКИ G 01 R 29/10). пат. 4005361 (США, МКИ G 01 R 31/02), пат. 2542435 (ФРГ, МКИ H 01 Q 3/26, G 01 R 3/28). Информация блока 6 поступает на ЦВУ 5 в цифровом виде.

Измеритель амплитуд и фаз 8 осуществляет измерение амплитуды и фазы сигнала принятого измерительным зондом 1. В цифровом виде информация от измерителя 8 поступает на ЦВУ 5.

Цифровое вычислительное устройство 5 последовательно реализует функции, фактически описывающие работу устройства:
расчет и выдачу кодов требуемого положения луча для блока управления фазовращателями;
прием и хранение поступающей от блока 6 встроенного контроля информации о координатах неисправных фазовращателей, номерах отказавших секций управления (переключающих элементов) и видах отказов (обрыв или короткое замыкание);
выдачу кодов излучателей на блок 4 для проведения СВЧ-контроля в соответствии с информацией от блока 6;
определение отношения максимального значения амплитуды поля фазированной антенной решетки к минимальному - A_0i и фазового сдвига ΔФ_i (где i = 1 ... N, a N - число элементов ФАР) при максимальном значении амплитуды и сравнение их с эталонными значениями A_этi и Ф_этi в соответствии с информацией, поступающей от измерителя 8;
оценку влияния вышедших из строя излучателей, при которой фазовращатели всех излучателей, находящихся в круге радиусом 2-4 длины волны от контролируемого, перефазируются и в каждом состоянии путем СВЧ-контроля определяются параметры A_0i и ΔФ_i, сравниваемые с их эталонными значениями A_этi и Ф_этi;
хранение координат поврежденных, излучателей ФАР, у которых отношение максимального значения амплитуды поля фазированной антенной решетки к минимальному A_0i и фазовый сдвиг ΔФ_i при максимальном значении амплитуды отличаются от эталонных (A_этi и Ф_этi);
хранение таблиц эталонных значений A_этi и Ф_этi;
учет в процессе моделирования диаграммы направленности фазированной антенной решетки различия между значениями A_0i и A_этi, ΔФ_i и Ф_этi.

Таким образом, предлагаемое изобретение позволяет обеспечить контроль характеристик ФАР в штатном режиме работы радио-электронной системы, что позволяет использовать его в РЛС, обеспечивающих сопровождение быстролетящих объектов наблюдения в условиях воздействия разрушающих и возмущающих дестабилизирующих факторов, что в конечном итоге позволяет расширить область применения способа.

Способ встроенного контроля характеристик фазированной антенной решетки (ФАР), при котором для определения характеристик ДН ФАР проводится СВЧ-контроль излучателей (И) и соединенных с ними каналов управления (КУ) в каждом из L = 2^P их состояний, путем амплитудной модуляции поля ФАР последовательным изменением всех состояний фазовращателей (Ф) контролируемых КУ, и в каждом состоянии определяют отношение максимального значения амплитуды поля ФАР к минимальному - A_0i и фазовый сдвиг ΔФ_i при максимальном значении амплитуды, которые сравнивают с их эталонными значениями A_этi и ΔФ_i, контроль проводят без вывода РЛС из штатного режима в интервалы времени, находящиеся за пределами стробируемых участков дальности, при этом выявляют И, КУ которых неисправны, подвергают их СВЧ-контролю, по результатам выявленных при СВЧ-контроле параметров А_0i, значения которых ниже значений А_этi, осуществляют оценку влияния вышедших из строя И, при котором Ф всех И, находящиеся в круге радиусом 2-4 длины волны от контролируемого перефазируют, и в каждом состоянии путем СВЧ-контроля определяют параметры А_0i и ΔФ_i, сравниваемые с их эталонными значениями А_этi и ΔФ_этi, различия между значениями A_0i и ΔФ_i, а также А_этi и ΔФ_этi учитывают в процессе моделирования ДН ФАР. Технический результат заключается в расширении области применения. 2 ил.

Способ встроенного контроля характеристик фазированной антенной решетки, при котором для определения характеристик диаграммы направленности фазированной антенной решетки (ФАР) проводится СВЧ-контроль излучателей и соединенных с ними каналов управления в каждом из L = 2^Р их состояний, р - число разрядов фазовращателя, путем амплитудной модуляции поля ФАР последовательным изменением всех состояний фазовращателей контролируемых каналов управления, и в каждом состоянии определяют отношение максимального значения амплитуды поля ФАР к минимальному - A_0i и фазовый сдвиг ΔФ_i, где i = 1 ... N, а N - число элементов ФАР, при максимальном значении амплитуды, которые сравнивают с их эталонными значениями A_этi и ΔФ_этi, отличающийся тем, что контроль проводят без вывода радиолокационной станции из штатного режима в интервалы времени, находящиеся за пределами стробируемых участков дальности, выявляют в результате проводимого анализа реакций фазовращателей на команды управления лучом антенной решетки излучатели, каналы управления которых неисправны, и подвергают эти излучатели СВЧ-контролю, по результатам выявленных при СВЧ-контроле параметров A_0i, значения которых ниже значений A_этi, осуществляют оценку влияния вышедших из строя излучателей, при котором фазовращатели всех излучателей, находящиеся в круге радиусом 2 - 4 длины волны от контролируемого перефазируют, и в каждом состоянии путем СВЧ-контроля определяют параметры A_0i и ΔФ_i, сравниваемые с их эталонными значениями A_этi и ΔФ_этi, различия между значениями A_0i и ΔФ_i, а также A_этi и ΔФ_этi учитывают в процессе моделирования диаграммы направленности ФАР.