СПОСОБЫ И УСТРОЙСТВА ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ХАРАКТЕРИСТИК ФАЗИРОВАННОЙ АНТЕННОЙ РЕШЁТКИ Российский патент 2017 года по МПК G01R29/10 

Область техники, к которой относится изобретение

Данное изобретение относится к измерительной технике, а конкретнее - к способу и устройству для измерения параметров канала фазированной антенной решетки (ФАР), к способу и устройству для определения диаграммы направленности элемента ФАР и к способу и устройству для определения диаграммы направленности всей ФАР.

Уровень техники

Обычно характеристики антенн измеряют с помощью амплифазометров типа ФК2-14, ФК2-19, ФК2-26 и т.п. (см., к примеру, информацию на сайте http://www.ngpedia.ru/id051105p1.html). Известно также о создании автоматизированного измерительно-вычислительного комплекса с перемещаемым зондом для настройки и испытаний антенных систем (М.А. Исаков, В.П. Лисинский. Перспективы реконструктивных антенных измерений как основного метода приемо-сдаточных испытаний. // Вестник Концерна ПВО «Алмаз-Антей», №3, 2015, стр. 51-58). Однако перемещать зонд в таких системах необходимо с высокой точностью, что не всегда достижимо.

Для измерения характеристик ФАР с использованием неподвижного зонда применяют фазовую манипуляцию, т.е. дискретную модуляцию сигнала одного из каналов ФАР по фазе со значениями 0 или 180° с помощью дискретного фазовращателя данного канала (см., например, авторские свидетельства СССР №1318941, опубл. 23.06.1987, и №1442940, опубл. 07.12.1988).

Однако такой метод измерений имеет низкую точность вследствие того, что при измерениях параметров одного из каналов ФАР остальные каналы также излучают, и их излучение является фоновым для измеряемого канала. Это фоновое излучение может быть весьма значительным, особенно когда количество элементов ФАР превышает 1000, поэтому динамический диапазон измерений снижается. Другим источником погрешности является дискретный фазовращатель в канале ФАР, т.к. точность установки фазы в нем лежит в пределах от 5 до 15°.

Раскрытие изобретения

Таким образом, существует потребность в таких способах и устройствах для измерений различных характеристик ФАР, который позволял бы проводить эти измерения при неподвижном зонде с высокой точностью, характерной для обычных амплифазометров, т.е. с точностью по фазе ≈2°, а по амплитуде ≈0,2 дБ.

Для решения этой задачи и достижения указанного технического результата в первом объекте настоящего изобретения предложен способ измерения параметров канала фазированной антенной решетки (ФАР), в каждом канале которой установлен дискретный многоразрядный фазовращатель, предназначенный для фазовой манипуляции сигнала в данном канале ФАР на частоте Ω/2π манипуляции, при этом способ содержит этапы, на которых: запитывают ФАР начальным сигналом с частотой ω₀/2π; осуществляют фазовую манипуляцию сигнала в измеряемом канале ФАР на частоте Ω/2n манипуляции с помощью одного разряда имеющегося в данном канале ФАР дискретного многоразрядного фазовращателя при коммутации его другого разряда; принимают излучаемый ФАР сигнал с помощью измерительной антенны, зафиксированной в промежуточной зоне излучения данной ФАР; компенсируют в принимаемом сигнале фоновый сигнал, образованный неманипулированными каналами ФАР, за счет использования части начального сигнала с частотой ω₀/2π, подбирая величину этой части равной величине фонового сигнала и имеющей противоположную фазу; выполняют квадратурную демодуляцию сигнала, полученного после компенсации фонового сигнала, для получения исходного сигнала I синфазного канала и исходного сигнала Q квадратурного канала; фильтруют сигнал I синфазного канала и сигнал Q квадратурного канала на частоте Ω/2π манипуляции; осуществляют синхронное детектирование отфильтрованных сигналов с частотой Ω/2π манипуляции, получая результирующий сигнал I' синфазного канала и результирующий сигнал Q' квадратурного канала; определяют по результирующему сигналу I' синфазного канала и результирующему сигналу Q' квадратурного канала амплитуду А и фазу ϕ измеряемого сигнала, характеризующие измеряемый канал ФАР.

Особенность способа по первому объекту настоящего изобретения состоит в том, что старший разряд дискретного многоразрядного фазовращателя может обеспечивать при своем включении добавление фазы на π в данном канале, а i-й разряд из остальных N разрядов (i=1,…, Ν) может обеспечивать при своем включении добавление фазы на π/2ⁱ в данном канале, при этом способ может дополнительно содержать этапы, на которых: фазовую манипуляцию осуществляют в старшем разряде дискретного мнопоразрядного фазовращателя при выключенных остальных его разрядах; после выполнения синхронного детектирования определяют для измеряемого сигнала промежуточные амплитуду А_п и фазу ϕ_π; включают очередной i-й разряд дискретного многоразрядного фазовращателя и повторяют измерения; после выполнения синхронного детектирования определяют измененные амплитуду A_i и фазу ϕ_i; вычисляют относительные амплитуду и фазу упомянутого i-го разряда дискретного многоразрядного фазовращателя как ΔK_i=(А_п-A_i)/A_п и ϕ_i-ϕ_π, соответственно.

Еще одна особенность способа по первому объекту настоящего изобретения состоит в том, что старший разряд дискретного многоразрядного фазовращателя может обеспечивать при своем включении добавление фазы на π в данном канале, а i-й разряд из остальных N разрядов (i=1, …, Ν) может обеспечивать при своем включении добавление фазы на π/2ⁱ в данном канале, при этом способ может дополнительно содержать этапы, на которых: фазовую манипуляцию осуществляют в следующем после старшего разряде (i=1) дискретного многоразрядного фазовращателя, обеспечивающем сдвиг по фазе на π/2, и повторяют измерения при выключенном и при включенном старшем разряде дискретного многоразрядного фазовращателя; определяют амплитуду А₀' и фазу ϕ₀' измеряемого сигнала при выключенном старшем разряде дискретного многоразрядного фазовращателя и амплитуду А₀" и фазу ϕ₀" измеряемого сигнала при включенном старшем разряде дискретного многоразрядного фазовращателя; вычисляют относительные амплитуду и фазу старшего разряда дискретного многоразрядного фазовращателя как ΔΚ₀=(Α₀'-Α₀")/Α₀' и ϕ₀"-ϕ₀', соответственно.

Для решения той же задачи и достижения того же технического результата во втором объекте настоящего изобретения предложено устройство для измерения характеристик канала фазированной антенной решетки (ФАР), в каждом канале которой установлен дискретный многоразрядный фазовращатель, предназначенный для манипуляции по фазе сигнала в данном канале ФАР на частоте Ω/2π манипуляции, содержащее: генератор сверхвысокой частоты (СВЧ), предназначенный для генерирования начального сигнала с частотой ω₀/2π направленный ответвитель, предназначенный для разделения начального сигнала с частотой ω₀/2π на два выхода, один из которых предназначен для запитки упомянутой ФАР; регулируемый аттенюатор и регулируемый фазовращатель, соединенные последовательно и предназначенные для регулирования, соответственно, амплитуды и фазы сигнала с другого выхода направленного ответвителя; измерительную антенну, предназначенную для приема сигналов, излучаемых ФАР, и зафиксированную в промежуточной зоне ее излучения; усилитель СВЧ, предназначенный для усиления сигналов, принимаемых измерительной антенной; сумматор, предназначенный для суммирования сигнала от усилителя СВЧ с сигналом от плавного аттенюатора и плавного фазовращателя; первый перемножитель, предназначенный для перемножения сигнала от сумматора с сигналом от генератора СВЧ; второй перемножитель, предназначенный для перемножения сигнала от сумматора с сигналом от генератора СВЧ, пропущенным через фазосдвигатель на π/2; первый и второй полосовые фильтры, предназначенные для выделения из сигналов от одноименных перемножителей сигналов с частотой Ω/2π манипуляции; первый и второй синхронные детекторы, предназначенные для синхронного детектирования сигналов от одноименных полосовых фильтров синхронно с частотой Ω/2π манипуляции; управляющий формирователь, предназначенный для управления дискретными многоразрядными фазовращателями и синхронными детекторами; первый и второй фильтры нижних частот, предназначенные для фильтрации выходных сигналов синхронных детекторов.

Особенность устройства по второму объекту настоящего изобретения состоит в том, что управляющий формирователь может быть выполнен в виде программируемого контроллера, в память которого введена программа, обеспечивающая при ее исполнении программируемым контроллером выдачу на его выходе сигналов, управляющих дискретными многоразрядными фазовращателями и синхронными детекторами.

Для решения той же задачи и достижения того же технического результата в третьем объекте настоящего изобретения предложен способ определения диаграммы направленности элемента фазированной антенной решетки (ФАР), содержащий этапы, на которых: выделяют фрагмент ФАР, включающий в себя не менее нескольких десятков элементов; устанавливают выделенный фрагмент ФАР на поворотном средстве; осуществляют этапы способа по первому объекту настоящего изобретения для различных углов поворота выделенного фрагмента ФАР по отношению к измерительной антенне; находят диаграмму направленности элемента в составе ФАР по найденным амплитудам и фазам каждого элемента фрагмента ФАР с учетом геометрии выделенного фрагмента ФАР и измерительной антенны.

Для решения той же задачи и достижения того же технического результата в четвертом объекте настоящего изобретения предложено устройство для определения диаграммы направленности элемента фазированной антенной решетки (ФАР), в каждом канале которой установлен дискретный многоразрядный фазовращатель, предназначенный для манипуляции по фазе сигнала в данном канале ФАР на частоте Ω/2π манипуляции, содержащее: фрагмент этой ФАР, включающий в себя не менее нескольких десятков элементов ФАР; поворотное средство, на котором установлен созданный фрагмент ФАР; устройство по второму объекту настоящего изобретения, в котором в качестве упомянутой ФАР использован выделенный фрагмент этой ФАР.

Для решения той же задачи и достижения того же технического результата в пятом объекте настоящего изобретения предложен способ определения диаграммы направленности всей фазированной антенной решетки (ФАР), содержащий этапы, на которых: устанавливают ФАР на поворотном столе; осуществляют для каждого элемента ФАР операции способа по третьему объекту настоящего изобретения для различных углов поворота ФАР по отношению к измерительной антенне; строят диаграмму направленности каждого элемента в составе ФАР по найденным амплитудам и фазам каждого элемента ФАР с учетом геометрии ФАР и измерительной антенны; находят диаграмму направленности всей ФАР методом пересчета в ее дальнюю зону найденных диаграмм направленности всех элементов в составе ФАР.

Для решения той же задачи и достижения того же технического результата в шестом объекте настоящего изобретения предложено устройство для определения диаграммы направленности всей фазированной антенной решетки (ФАР), в каждом канале которой установлен дискретный многоразрядный фазовращатель, предназначенный для манипуляции по фазе сигнала в данном канале ФАР на частоте Ω/2π манипуляции, содержащее: устройство по четвертому объекту настоящего изобретения, в котором в качестве фрагмента ФАР использована вся ФАР; вычислительное средство, запрограммированное для пересчета найденной диаграммы направленности каждого элемента в составе ФАР в дальнюю зону ФАР.

Краткое описание чертежей

Настоящее изобретение иллюстрируется приложенными чертежами.

На Фиг. 1 показаны возможные расположения антенных элементов в фазированной антенной решетке.

На Фиг. 2 иллюстрируется совместное действие фазовращателей в одном ряду антенных элементов.

На Фиг. 3 показана блок-схема устройства, с помощью которого реализуется способ по первому объекту настоящего изобретения.

На Фиг. 4 приведена блок-схема общего алгоритма реализации способа по первому объекту настоящего изобретения.

На Фиг. 5 приведена блок-схема одного частного алгоритма реализации способа по первому объекту настоящего изобретения.

На Фиг. 6 приведена блок-схема другого частного алгоритма реализации способа по первому объекту настоящего изобретения.

На Фиг. 7 показана упрощенная блок-схема устройства, с помощью которого реализуются способы по третьему и пятому объектам настоящего изобретения.

Подробное описание настоящего изобретения

Фазированная антенная решетка (ФАР) представляет собой множество антенных элементов, размещенных в виде матрицы (решетки) в по меньшей мере одном ряду с заданным шагом между соседними антенными элементами (Фиг. 1а). Обычно несколько таких рядов антенных элементов расположены параллельно со сдвигом каждого следующего ряда на полшага относительно предыдущего или без этого сдвига, так что соседние антенные элементы оказываются в вершинах треугольников (Фиг. 1б) или квадратов (Фиг. 1в).

Благодаря тому, что каждый антенный элемент в ФАР подключен к соответствующему фазовращателю (ФВ), фазу сверхвысокочастотного (СВЧ) сигнала, излучаемого или принимаемого каждым антенным элементом, можно менять независимо от других антенных элементов. Задавая соответственно нарастающие фазовые набеги (0, ϕ, 2ϕ, 3ϕ, …) в антенных элементах в одном ряду, можно получить отклонение фронта общего луча всего ряда (Фиг. 2). При соответственных регулировках фазовых набегов в антенных элементах всех рядов можно отклонять фронт излучения всей ФАР.

Поскольку современные ФАР состоят, как правило, из нескольких сотен или даже тысяч антенных элементов, в качестве фазовращателей в каждом канале таких ФАР обычно используют дискретный многоразрядный фазовращатель, старший разряд которого обеспечивает при своем включении изменение фазы пропускаемого через него сигнала на π (180°), а каждый i-й (i=1, …, Ν) из остальных N разрядов обеспечивает при своем включении изменение фазы пропускаемого через него сигнала на π/2ⁱ.

Как уже отмечено в разделе «Уровень техники», основной особенностью измерений характеристик фазированной антенной решетки (ФАР) является то, что измерительная антенна (неподвижный зонд) располагается в так называемой промежуточной зоне излучения ФАР (зона Френеля), а не в так называемой дальней зоны (зоны Фраун-гофера), при этом измерения характеристик канала ФАР ведутся на фоне мешающего излучения остальных каналов этой ФАР.

На Фиг. 3 показана блок-схема устройства, с помощью которого реализуется способ по первому объекту настоящего изобретения. На Фиг. 3 ссылочные позиции означают следующее:

1 - генератор СВЧ,

2 - направленный ответвитель,

3 - регулируемый аттенюатор,

4 - фазированная антенная решетка (ФАР),

5 - многоразрядный дискретный фазовращатель (ФВ) в одном из каналов ФАР,

6 - регулируемый фазовращатель,

7 - измерительная антенна,

8 - усилитель СВЧ,

9 - сумматор,

10 - первый перемножитель (первый балансный смеситель),

11 - второй перемножитель (второй балансный смеситель),

12 - фазосдвигатель на π/2 (90°),

13 - первый полосовой фильтр,

14 - второй полосовой фильтр,

15 - первый синхронный детектор,

16 - второй синхронный детектор,

17 - управляющий формирователь,

18 - первый фильтр нижних частот (ФНЧ),

19 - второй ФНЧ.

Выход генератора 1 СВЧ соединен со входом направленного ответвителя 2, первый выход которого подключен ко входу ФАР 4. Ко второму выходу направленного ответвителя 2 подключены соединенные последовательно плавный аттенюатор 3 и плавный фазовращатель 6, выход которого соединен с одним из входов сумматора 9.

Измерительная антенна (зонд) 7, установленная неподвижно в промежуточной зоне излучения ФАР 4, соединена через усилитель 8 СВЧ с другим входом сумматора 9, выход которого подключен к первым (сигнальным) входам первого и второго перемножителей 10, 11. На вторые (опорные) входы первого и второго перемножителей 10, 11 подается сигнал с генератора 1 СВЧ, причем на первый перемножитель 10 этот сигнал поступает непосредственно, а на второй перемножитель 11 - через фазосдвигатель 12 на π/2. Выходы каждого из первого и второго перемножителей 10, 11 через одноименные полосовые фильтры 13, 14 соединены с первыми (сигнальными) входами одноименных синхронных детекторов 15, 16, к выходам которых подключены входы одноименных ФНЧ 18, 19.

Управляющий формирователь 17 подает управляющие сигналы на управляющие входы дискретных многоразрядных фазовращателей 5 в каждом канале ФАР 4 и на опорные входы первого и второго синхронных детекторов 15, 16. Этот управляющий формирователь 17 может быть выполнен в виде программируемого контроллера, в память которого введена программа, обеспечивающая при ее исполнении программируемым контроллером выдачу на его выходе сигналов, управляющих дискретными многоразрядными фазовращателями и синхронными детекторами. В принципе, в качестве управляющего формирователя 17 можно использовать и соответственно запрограммированный персональный компьютер.

Способ измерения параметров канала фазированной антенной решетки по первому объекту настоящего изобретения реализуется в устройстве по Фиг. 3 следующим образом (см. Фиг. 4).

Генератор 1 СВЧ вырабатывает на своем выходе начальный сигнал вида A₀cosω₀t, где А₀ - амплитуда, а - частота этого сигнала. Генерируемый генератором 1 СВЧ начальный сигнал через направленный ответвитель 2 запитывает ФАР 4 (этап 41). Этот сигнал равномерно разделяется на все каналы, т.е. на входы дискретных многоразрядных фазовращателей 5, а с них - на антенные элементы, каждый из которых излучает свой парциальный сигнал. В одном из каналов осуществляют фазовую манипуляцию с частотой путем подачи манипулирующего сигнала с управляющего формирователя 17 на соответствующий разряд дискретного многоразрядного фазовращателя данного (измеряемого) канала, а в остальных каналах дискретные многоразрядные фазовращатели 5 в это время выключены (этап 42). В процессе измерений другой разряд этого же дискретного многоразрядного фазовращателя 5 включается или выключается, что вызывает изменение фазы сигнала на π для старшего разряда (именуемого нулевым) или на π/2ⁱ для i-го из остальных разрядов (этап 43). Общее излучение всех антенных элементов ФАР 4 принимается измерительной антенной 7 (этап 44), на выходе которой сигнал можно описать выражением:

где A_F - амплитуда фонового сигнала, излучаемого неманипулированными каналами ФАР 4;

ϕ_F - эквивалентная фаза фонового сигнала;

A_i - амплитуда сигнала в измеряемом канале ФАР 4;

Δk_i1 - неодинаковость коэффициента передачи у работающего дискретного многоразрядного фазовращателя 5 при фазе, равной 0, и при фазе, равной π;

Δϕ_i1 - неточность скачка фазы от 0 к π (0-180°), обусловленная работающим дискретным многоразрядным фазовращателем;

n - действительное нечетное число (n=1, 3, 5,…, ∞).

Этот сигнал, усиленный в усилителе 8 СВЧ, поступает на один вход сумматора 9, на другой вход которого приходит сигнал с другого выхода направленного ответви-теля 2, пропущенный через цепочку из соединенных последовательно регулируемого аттенюатора 3 и регулируемого фазовращателя 6, с помощью которых осуществляется компенсация сигнала фонового излучения, т.е. излучения всех остальных кроме измеряемого каналов ФАР 4 (этап 45), как это известно специалистам. Как правило, фоновое излучение подавляется на 30-40 дБ (т.е. в 1000-10000 раз), что весьма существенно.

В результате с выхода сумматора 9 на входы первого и второго перемножителей 10, 11 поступает сигнал вида:

где А_Fк - амплитуда скомпенсированного фонового сигнала;

ϕ_Fк - эквивалентная фаза скомпенсированного фонового сигнала.

На опорные входы первого и второго перемножителей 10, 11 поступают сигналы с частотой , сдвинутые один относительно другого в фазосдвигателе 12 на (90°). В результате первый и второй перемножители 10, 11 вместе с фазосдвигателем 12 на работают как квадратурный демодулятор (этап 46). На выходе первого перемножителя 10 формируется исходный сигнал I синфазного канала вида:

а на выходе второго перемножителя 11 формируется исходный сигнал Q квадратурного канала вида:

Сигналы I и Q пропускаются через полосовые фильтры 13 и 14 соответственно (этап 47). Поэтому, учтем, что

и, поскольку

Тогда отфильтрованный сигнал на выходе полосового фильтра 13 имеет вид:

А отфильтрованный сигнал на выходе полосового фильтра 14 имеет вид:

Сигналы (5) и (6) с выходов полосовых фильтров 13 и 14 подвергаются синхронному детектированию (этап 48) соответственно в первом и втором синхронных детекторах 15 и 16, на опорные входы которых поступает тот же самый сигнал фазовой манипуляции с частотой с выхода управляющего формирователя 17, который подается в дискретный многоразрядный фазовращатель 5 в измеряемом канале ФАР 4. Получаемые при этом сигналы пропускают через соответственные ФНЧ 18 и 19, что дает в итоге результирующий сигнал I' синфазного канала:

и результирующий сигнал Q' квадратурного канала:

Эти результирующие сигналы I' и Q' полностью характеризуют амплитуду и фазу измеряемого канала ФАР 4 (этап 49). Действительно, амплитуда измеряемого канала выражается как , а фаза - как .

Рассмотренный способ измерения параметров канала ФАР несколько разнится при измерениях параметров любого i-го разряда (i=1, …, N) дискретного многоразрядного фазовращателя 5, отличного от старшего (нулевого), который обеспечивает при своем включении добавление фазы на π/2ⁱ в данном канале, и при измерениях параметров старшего разряда этого дискретного многоразрядного фазовращателя, который обеспечивает при своем включении добавление фазы на π.

В случае измерения параметров любого разряда кроме старшего блок-схема алгоритма по Фиг. 4 преобразуется к виду, показанному на Фиг. 5. Этап 51 этого алгоритма, на котором запитывают ФАР 4 на частоте , соответствует этапу 41 в алгоритме по Фиг. 4. Следующий этап 52 является конкретизацией этапа 42 в алгоритме по Фиг. 4, когда ФМн сигнала на величину π на частоте осуществляют в старшем разряде измеряемого канала ФАР 4. Этап 53 этого алгоритма, на котором коммутируют i-й (не старший) разряд дискретного многоразрядного фазовращателя 5 в том же канале ФАР 4, соответствует этапу 43 в алгоритме по Фиг. 4. Затем в данном случае следует этап 54, в ходе которого выполняются этапы 44-48 алгоритма по Фиг. 4 сначала для выключенного, а затем для включенного i-го разряда.

В том случае, когда i-й разряд дискретного многоразрядного фазовращателя выключен («нет» на этапе 55) и, следовательно, не добавляет фазовый набег к пропускаемому сигналу, после синхронного детектирования (этап 48) по результирующим сигналам I' и Q' определяют для измеряемого сигнала промежуточную амплитуду А_п и промежуточную фазу ϕ_п, которые в данном случае равны, соответственно, амплитуде А_измер и фазе ϕ_измер (этап 56).

Затем, возвращаясь к этапу 53, включают i-й разряд дискретного многоразрядного фазовращателя 5 в измеряемом канале ФАР 4, который вносит набег фазы на π/2ⁱ и повторяют этап 54 (т.е. этапы 44-48). При этом («да» на этапе 55) после синхронного детектирования (этап 48) по результирующим сигналам I' и Q' для измеряемого сигнала определяют измененную амплитуду A_i и измененную фазу (этап 57).

К примеру, когда включают первый (i=1) разряд дискретного многоразрядного фазовращателя, вносящий набег фазы на π/2, результирующие сигналы I' и Q' приобретают следующий вид:

где - фаза первого (i=1) дискрета (разряда),

Δk_i2 - неравномерность коэффициента передачи при изменении фазы с 0 на .

В заключение на этапе 58 по найденным результирующим сигналам I' и Q' вычисляют относительные амплитуду и фазу i-го разряда дискретного многоразрядного фазовращателя 5 как ΔК_i=(А_п-А_i)/А_п и ϕ_i-ф_п, соответственно.

Как уже отмечено, алгоритм по Фиг. 5 применим для определения параметров любого разряда дискретного многоразрядного фазовращателя кроме старшего.

В случае же измерения параметров старшего разряда блок-схема алгоритма по Фиг. 4 преобразуется к виду, показанному на Фиг. 6. Этап 61 этого алгоритма, на котором запитывают ФАР 4 начальным сигналом на частоте , соответствует этапу 41 в алгоритме по Фиг. 4. Следующий этап 62 является конкретизацией этапа 42 в алгоритме по Фиг. 4, когда осуществляют ФМн сигнала на π/2 на частоте в следующем после старшего разряде измеряемого канала ФАР 4. Этап 63 этого алгоритма, на котором коммутируют старший разряд дискретного многоразрядного фазовращателя 5 в том же канале ФАР 4, соответствует этапу 43 в алгоритме по Фиг. 4. Затем в данном случае следует этап 64, в ходе которого выполняются этапы 44-48 алгоритма по Фиг. 4 сначала для выключенного, а затем для включенного старшего разряда.

Когда старший разряд дискретного многоразрядного фазовращателя выключен («нет» на этапе 65) и, следовательно, не добавляет фазовый набег к пропускаемому сигналу, то после синхронного детектирования (этап 48) по результирующим сигналам I' и Q' для измеряемого сигнала определяют промежуточную амплитуду А₀' и промежуточную фазу ϕ₀' для уже измеренного разряда (при i=1, т.е. с фазовым набегом π/2) (этап 66). В этом случае фазовая манипуляция от 0 до π/2 приводит к появлению сигнала, выражаемого - вместо уравнения (2) - следующим образом:

где Δk_i2 - неодинаковость коэффициента передачи у работающего дискретного многоразрядного фазовращателя 5 при фазе, равной 0, и при фазе, равной π/2;

Δϕ_i2 - неточность скачка фазы от 0 к π/2 (0-90°), обусловленная работающим дискретным многоразрядным фазовращателем.

Тогда сигналы на выходах ФНЧ 18 и 19 будут иметь вид:

Поскольку величины и Δk_i2 уже измерены (для следующего разряда после старшего), можно найти амплитуду А₀' и фазу ϕ₀', соответствующие выключенному старшему разряду (т.е. дискрету фазы 0°).

Затем, возвращаясь к этапу 63, включают старший (нулевой) разряд дискретного многоразрядного фазовращателя 5 в измеряемом канале ФАР 4, который вносит набег фазы на π, и повторяют этап 64 (т.е. этапы 44-48). При этом («да» на этапе 65) после синхронного детектирования (этап 48) по результирующим сигналам I' и Q' для измеряемого сигнала определяют измененную амплитуду А₀" и измененную фазу ϕ₀" для дискрета фазы π (этап 67).

В заключение на этапе 68 вычисляют относительную амплитуду и относительную фазу старшего разряда дискретного многоразрядного фазовращателя 5 как ΔК₀=(А₀'-А₀")/А₀' и ϕ₀"-ϕ₀', соответственно.

Описанные алгоритмы используют поочередно для каждого канала ФАР 4, так что в результате становятся известны параметры (амплитуда и фаза) каждого канала при любых положениях дискретного многоразрядного фазовращателя 5 в каждом из этих каналов.

В принципе, фазовую манипуляцию на этапе 42 можно осуществлять, подавая сигнал с частотой на любой разряд дискретного многоразрядного фазовращателя 5, но оптимальной является манипуляция 0-180°.

Описанный способ измерения параметров канала ФАР может быть использован для измерения диаграммы направленности как элемента ФАР, так и всей ФАР. Для измерения диаграммы направленности элемента ФАР необходимо выделить фрагмент ФАР, включающий в себя по меньшей мере несколько десятков антенных элементов. Этот выделенный фрагмент ФАР 4 (см. Фиг. 7) устанавливают на поворотном средстве 20 любого типа, обеспечивающем поворот вокруг хотя бы одной оси и отсчет угла сделанного поворота. Затем проводят измерения вышеописанными способами, после чего строят диаграмму направленности элемента в составе ФАР по найденным амплитудам и фазам каждого элемента из фрагмента ФАР с учетом геометрии этого фрагмента ФАР 4 и измерительной антенны 7.

Для измерения диаграммы направленности всей ФАР 4 устанавливают эту ФАР 4 на таком же поворотном средстве 20 и проводят измерения вышеописанными способами, после чего строят диаграмму направленности всей ФАР методом пересчета в ее дальнюю зону уже найденной диаграммы направленности каждого элемента в составе ФАР. Такой пересчет известен специалистам (см., например, Л.Н. Захарьев и др. Методы измерения характеристик антенн СВЧ. - М.: Радио и связь, 1985; доступно на сайте http://www.radiobiblioteka.ru/content/view/1898/; или Ю.В. Кривошеее. Измерение характеристик антенн в зоне Френеля на разреженной сетке углов. Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук; доступен на сайте http://mpei.ru/Science/Dissertations/dissertations/Synopsis/KrivosheevYV.pdf).

Все операции по обеспечению фазовой манипуляции в нужном разряде дискретного многоразрядного фазовращателя в нужном канале ФАР, а также операции по вычислению относительных амплитуд и фаз любого разряда (дискрета) и любой диаграммы направленности можно осуществлять с помощью программируемого контроллера, в память которого введена программа, обеспечивающая при ее исполнении этим программируемым контроллером выдачу на его выходе сигналов, управляющих дискретными многоразрядными фазовращателями и синхронными детекторами, а также позволяющая проводить все необходимые вычисления по результатам измерений, которые также могут вводиться в этот программируемый контроллер. Специалистам понятно, что фазовая манипуляция может осуществлять отдельным управляющим формирователем, который может быть реализован как на программируемом контроллере, так и с помощью программируемой логической матрицы (ПЛМ), а упомянутые вычисления можно производить с помощью отдельного вычислительного средства или нескольких таких вычислительных средств, одинаковых или разных - будь то персональный компьютер, калькулятор или любое иное средство, пригодное для осуществления таких вычислений.

Поскольку измерения согласно настоящему изобретению осуществляются с использованием квадратурной демодуляции, характерной и для измерений с помощью обычных амплифазометров, обеспечиваемые описанными способами точностные характеристики получаются такими же, как у стандартных приборов, т.е. ≈2° по фазе и ≈0,2 дБ по амплитуде. Таким образом, настоящее изобретение обеспечивает возможность при неподвижном зонде проводить измерения различных характеристик как всей фазированной антенной решетки, так и отдельных ее элементов с высокой точностью, характерной для обычных амплифазометров.

Группа изобретений относится к измерительной технике, а конкретнее к измерению параметров канала фазированной антенной решетки (ФАР) и определению диаграммы направленности элементов ФАР. Технический результат заключается в возможности проводить измерения параметров при неподвижном зонде с высокой точностью, характерной для обычных амплифазометров, т.е. с точностью по фазе ≈2°, а по амплитуде ≈0,2 дБ. Раскрыты способ и устройство измерения параметров канала ФАР, способ и устройство для определения диаграммы направленности элементов ФАР. Способ измерения параметров канала ФАР, в каждом канале которой установлен дискретный многоразрядный фазовращатель, предназначенный для фазовой манипуляции сигнала в данном канале ФАР на частоте Ω/2π манипуляции, содержит этапы, на которых: а) запитывают ФАР начальным сигналом с частотой ω₀/2π, осуществляют фазовую манипуляцию сигнала в измеряемом канале ФАР на частоте Ω/2π манипуляции с помощью одного разряда имеющегося в данном канале ФАР дискретного многоразрядного фазовращателя при коммутации его другого разряда; принимают излучаемый ФАР сигнал с помощью измерительной антенны, зафиксированной в промежуточной зоне излучения ФАР; компенсируют в принимаемом сигнале фоновый сигнал, образованный неманипулированными каналами ФАР, за счет использования части начального сигнала с частотой ω₀/2π, подбирая величину этой части равной величине фонового излучения и имеющей противоположную фазу; выполняют квадратурную демодуляцию сигнала, полученного после компенсации фонового сигнала, для получения исходного сигнала I синфазного канала и исходного сигнала Q квадратурного канала; фильтруют сигнал I синфазного канала и сигнал Q квадратурного канала на частоте Ω/2π манипуляции; осуществляют синхронное детектирование отфильтрованных сигналов с частотой Ω/2π манипуляции, получая результирующий сигнал I' синфазного канала и результирующий сигнал Q' квадратурного канала; определяют по результирующему сигналу I' синфазного канала и результирующему сигналу Q' квадратурного канала амплитуду А и фазу ϕ измеряемого сигнала, характеризующие измеряемый канал ФАР. Способ определения диаграммы направленности элемента ФАР содержит этапы, на которых выделяют фрагмент упомянутой ФАР, включающий в себя не менее нескольких десятков элементов; устанавливают выделенный фрагмент ФАР на поворотном средстве; осуществляют этапы способа измерения параметров канала ФАР для различных углов поворота упомянутого выделенного фрагмента ФАР по отношению к упомянутой измерительной антенне; строят диаграмму направленности элемента в составе ФАР по найденным амплитудам и фазам каждого элемента упомянутого фрагмента ФАР с учетом геометрии упомянутого выделенного фрагмента ФАР и упомянутой измерительной антенны. 6 н. и 3 з.п. ф-лы. 7 ил.

1. Способ измерения параметров канала фазированной антенной решетки (ФАР), в каждом канале которой установлен дискретный многоразрядный фазовращатель, предназначенный для фазовой манипуляции сигнала в данном канале ФАР на частоте Ω/2π манипуляции, при этом способ содержит этапы, на которых:

а) запитывают упомянутую ФАР начальным сигналом с частотой ω₀/2π;

б) осуществляют фазовую манипуляцию сигнала в измеряемом канале ФАР на упомянутой частоте Ω/2π манипуляции с помощью одного разряда имеющегося в данном канале ФАР дискретного многоразрядного фазовращателя при коммутации его другого разряда;

в) принимают излучаемый упомянутой ФАР сигнал с помощью измерительной антенны, зафиксированной в промежуточной зоне излучения упомянутой ФАР;

г) компенсируют в принимаемом сигнале фоновый сигнал, образованный неманипулированными каналами упомянутой ФАР, за счет использования части упомянутого начального сигнала с частотой ω₀/2π, подбирая величину этой части равной величине упомянутого фонового излучения и имеющей противоположную фазу;

д) выполняют квадратурную демодуляцию сигнала, полученного после упомянутой компенсации фонового сигнала, для получения исходного сигнала I синфазного канала и исходного сигнала Q квадратурного канала;

е) фильтруют упомянутый сигнал I синфазного канала и упомянутый сигнал Q квадратурного канала на упомянутой частоте Ω/2π манипуляции;

ж) осуществляют синхронное детектирование отфильтрованных сигналов с упомянутой частотой Ω/2π манипуляции, получая результирующий сигнал I' синфазного канала и результирующий сигнал Q' квадратурного канала;

з) определяют, по упомянутому результирующему сигналу I' синфазного канала и упомянутому результирующему сигналу Q' квадратурного канала, амплитуду А и фазу ϕ измеряемого сигнала, характеризующие упомянутый измеряемый канал ФАР.

2. Способ по п. 1, в котором старший разряд дискретного многоразрядного фазовращателя обеспечивает при своем включении добавление фазы на π в данном канале, а i-й разряд из остальных N разрядов (i=1, ..., N) обеспечивает при своем включении добавление фазы на π/2ⁱ в данном канале, при этом способ дополнительно содержит этапы, на которых:

- упомянутую фазовую манипуляцию на этапе б) осуществляют в упомянутом старшем разряде дискретного многоразрядного фазовращателя при выключенных остальных его разрядах;

- по выполнении этапов в)-ж) определяют на этапе з) для измеряемого сигнала промежуточные амплитуду А_п и фазу ϕ_п;

- включают очередной i-й разряд дискретного многоразрядного фазовращателя и повторяют этапы б)-ж);

- определяют на этапе з) измененные амплитуду A_i и фазу ϕ_i;

- вычисляют относительные амплитуду и фазу упомянутого i-го разряда дискретного многоразрядного фазовращателя как ΔK_i=(А_п-A_i)/A_п и ϕ_i-ϕ_п соответственно.

3. Способ по п. 1, в котором старший разряд дискретного многоразрядного фазовращателя обеспечивает при своем включении добавление фазы на π в данном канале, а i-й разряд из остальных N разрядов (i=1, ..., N) обеспечивает при своем включении добавление фазы на π/2ⁱ в данном канале, при этом способ дополнительно содержит этапы, на которых:

- упомянутую фазовую манипуляцию на этапе б) осуществляют в следующем после старшего разряде (i=1) дискретного многоразрядного фазовращателя, обеспечивающем сдвиг по фазе на π/2, и повторяют этапы в)-з) при выключенном и при включенном старшем разряде дискретного многоразрядного фазовращателя;

- определяют амплитуду А₀' и фазу ϕ₀' измеряемого сигнала при выключенном старшем разряде дискретного многоразрядного фазовращателя и амплитуду А₀ʺ и фазу ϕ₀ʺ измеряемого сигнала при включенном старшем разряде дискретного многоразрядного фазовращателя;

- вычисляют относительные амплитуду и фазу старшего разряда дискретного многоразрядного фазовращателя как ΔК₀=(А₀'-А₀ʺ)/А₀' и ϕ₀ʺ-ϕ₀' соответственно.

4. Устройство для измерения параметров канала фазированной антенной решетки (ФАР), в каждом канале которой установлен дискретный многоразрядный фазовращатель, предназначенный для фазовой манипуляции сигнала в данном канале ФАР на частоте Ω/2π манипуляции, содержащее:

- генератор сверхвысокой частоты (СВЧ), предназначенный для генерирования начального сигнала с частотой ω₀/2π;

- направленный ответвитель, предназначенный для разделения упомянутого начального сигнала с частотой ω₀/2π на два выхода, один из которых предназначен для запитки упомянутой ФАР;

- регулируемый аттенюатор и регулируемый фазовращатель, соединенные последовательно и предназначенные для регулирования, соответственно, амплитуды и фазы сигнала с другого выхода упомянутого направленного ответвителя;

- измерительную антенну, предназначенную для приема сигналов, излучаемых упомянутой ФАР, и зафиксированную в промежуточной зоне ее излучения;

- усилитель СВЧ, предназначенный для усиления сигналов, принимаемых упомянутой измерительной антенной;

- сумматор, предназначенный для суммирования сигнала от упомянутого усилителя СВЧ с сигналом от упомянутых плавного аттенюатора и плавного фазовращателя;

- первый перемножитель, предназначенный для перемножения сигнала от упомянутого сумматора непосредственно с сигналом от упомянутого генератора СВЧ;

- второй перемножитель, предназначенный для перемножения сигнала от упомянутого сумматора с сигналом от упомянутого генератора СВЧ, пропущенным через фазосдвигатель на π/2;

- первый и второй полосовые фильтры, предназначенные для выделения сигналов с упомянутой частотой Ω/2π манипуляции из сигналов от одноименных перемножителей;

- первый и второй синхронные детекторы, предназначенные для синхронного детектирования сигналов от одноименных полосовых фильтров синхронно с упомянутой частотой Ω/2π манипуляции;

- управляющий формирователь, предназначенный для управления упомянутыми дискретными многоразрядными фазовращателями и синхронными детекторами;

- первый и второй фильтры нижних частот, предназначенные для фильтрации выходных сигналов упомянутых синхронных детекторов.

5. Устройство по п. 4, в котором упомянутый управляющий формирователь выполнен в виде программируемого контроллера, в память которого введена программа, обеспечивающая при ее исполнении упомянутым программируемым контроллером выдачу на его выходе сигналов, управляющих упомянутыми дискретными многоразрядными фазовращателями и синхронными детекторами.

6. Способ определения диаграммы направленности элемента фазированной антенной решетки (ФАР), содержащий этапы, на которых:

- выделяют фрагмент упомянутой ФАР, включающий в себя не менее нескольких десятков элементов;

- устанавливают выделенный фрагмент ФАР на поворотном средстве;

- осуществляют этапы способа по любому из пп. 1-3 для различных углов поворота упомянутого выделенного фрагмента ФАР по отношению к упомянутой измерительной антенне;

- строят диаграмму направленности элемента в составе ФАР по найденным амплитудам и фазам каждого элемента упомянутого фрагмента ФАР с учетом геометрии упомянутого выделенного фрагмента ФАР и упомянутой измерительной антенны.

7. Устройство для определения диаграммы направленности элемента фазированной антенной решетки (ФАР), в каждом канале которой установлен дискретный многоразрядный фазовращатель, предназначенный для фазовой манипуляции сигнала в данном канале ФАР на частоте Ω/2π манипуляции, содержащее:

- выделенный фрагмент упомянутой ФАР, включающий в себя не менее нескольких десятков элементов ФАР;

- поворотное средство, на котором установлен упомянутый фрагмент ФАР;

- устройство по п. 4, в котором в качестве упомянутой ФАР использован упомянутый выделенный фрагмент этой ФАР.

8. Способ определения диаграммы направленности всей фазированной антенной решетки (ФАР), содержащий этапы, на которых:

- устанавливают упомянутую ФАР на поворотном средстве;

- осуществляют для каждого элемента упомянутой ФАР этапы способа по любому из пп. 1-3 для различных углов поворота упомянутой ФАР по отношению к упомянутой измерительной антенне;

- строят диаграмму направленности каждого элемента в составе ФАР по найденным амплитудам и фазам каждого элемента упомянутой ФАР с учетом геометрии упомянутой ФАР и упомянутой измерительной антенны;

- находят диаграмму направленности всей ФАР методом пересчета в ее дальнюю зону найденных диаграмм направленности всех элементов в составе ФАР.

9. Устройство для определения диаграммы направленности всей фазированной антенной решетки (ФАР), в каждом канале которой установлен дискретный многоразрядный фазовращатель, предназначенный для фазовой манипуляции сигнала в данном канале ФАР на частоте Ω/2π манипуляции, содержащее:

- устройство по п. 7, в котором в качестве упомянутого фрагмента ФАР использована вся упомянутая ФАР;

- вычислительное средство, запрограммированное для пересчета найденной диаграммы направленности каждого элемента в составе ФАР в дальнюю зону упомянутой ФАР.