Способ и устройство для калибровки приемной активной фазированной антенной решетки Российский патент 2018 года по МПК H01Q21/00 

Изобретение относится к области антенной техники и может использоваться для калибровки приемных активных фазированных антенных решеток (АФАР), используемых в радиолокационных станциях (РЛС) дальнего обнаружения.

Известен способ калибровки АФАР, состоящий в том, что излучают вспомогательной антенной сигнал, принимают его контролируемой антенной, измеряют мощность сигнала на выходе контролируемой антенны и сравнивают ее с заданным значением [2]. Недостаток этого способа состоит в том, что для обеспечения близкого к плоскому фронта падающей на апертуру контролируемой АФАР электромагнитной волны расстояние R между антеннами должно быть таким, чтобы фазовая неравномерность не превышала некоторого допустимого значения . Так, в случае прямоугольного раскрыва АФАР с размерами 100×30 м, при ⁼10° и длине волны λ=0,6 м расстояние между антеннами должно быть не менее 75 км. Техническая реализация способа связана со значительными организационными и технологическими сложностями. Известен способ калибровки приемной антенны АФАР [3], в котором на вход каждого приемного модуля поочередно подают входной сигнал, измеряют амплитуду и фазу сигнала на выходе приемного модуля, на основе этих измерений формируют калибровочные коэффициенты, которые используют для регулировки комплексного коэффициента передачи каждого приемного модуля, добиваясь их идентичности. Недостаток данного способа состоит в том, что для его реализации требуется высокоточный измерительный прибор, поскольку измерение параметров выходных сигналов каждого приемного модуля производится вне связи с измерениями выходных сигналов других приемных модулей, т.е. измеряются абсолютные значения амплитуды и фазы сигналов на выходах приемных модулей. От этого недостатка свободен способ калибровки АФАР [4], в соответствии с которым один из приемных модулей принимают в качестве опорного, подают калибровочный сигнал на вход каждого приемного модуля, сравнивают по очереди параметры сигналов с выходов всех калибруемых модулей с параметрами выходного сигнала опорного модуля, при этом измеряют разность фаз и амплитуд, формируют на основе измерений калибровочные коэффициенты для каждого приемного модуля, которые используют для регулировки комплексных коэффициентов передачи каждого приемного модуля, добиваясь их идентичности с помощью управляемых аттенюаторов и фазовращателей. Недостаток данного способа состоит в том, что с одной стороны для достижения необходимой точности измерений амплитуды и фазы выходных сигналов необходимо обеспечить значительное превышение мощности калибровочного сигнала над мощностью собственных шумов приемных модулей, с другой стороны - мощность калибровочных сигналов должна находиться в пределах возможных значений мощности принимаемых отраженных от целей сигналов при работе РЛС в штатном режиме.

От этого недостатка свободен способ калибровки N-элементной приемной АФАР РЛС дальнего обнаружения [1], включающий подачу на вход каждого приемного модуля калибровочного сигнала, его предварительное усиление на несущей частоте, частотное преобразование, усиление на промежуточной частоте, аналого-цифровое преобразование с выделением квадратурных составляющих комплексных амплитуд выходных сигналов и формирование корректирующих кодов на основе сравнения модулей и аргументов комплексных амплитуд выходных сигналов каждого из N-1 калибруемых приемных модулей с модулем и аргументом комплексной амплитуды выходного сигнала одного из приемных модулей, принятого за опорный, причем в качестве калибровочного сигнала применяют когерентную последовательность из N радиоимпульсов, мощность которых имеет величину одного порядка с мощностью поступающих на вход каждого приемного модуля отраженных от целей сигналов при работе РЛС в штатном режиме, т.е. при отношении сигнал-шум по мощности ρ<<1. Для обеспечения требуемого отношения сигнал-шум квадратурные составляющие выходных сигналов перед формированием калибровочных коэффициентов подвергают N-кратному последовательному суммированию. При этом отношение сигнал-шум по мощности увеличивается в N раз, что позволяет формировать калибровочные коэффициенты, которые используют для регулирования комплексных коэффициентов передачи калибруемых приемных модулей с целью их выравнивания и обеспечения равномерного амплитудно-фазового распределения поля на апертуре АФАР. Данный способ наиболее близок к предлагаемому и принят в качестве прототипа.

Недостатками прототипа являются низкая точность калибровки, вызванная погрешностями, вносимыми управляемыми фазовращателями и аттенюаторами, и сложность технической реализуемости способа, связанная с необходимостью конструктивных изменений приемных модулей для включения в их состав фазовращателей и аттенюаторов.

Задачей изобретения является повышение точности калибровки приемной АФАР РЛС дальнего обнаружения при одновременном упрощении его технической реализации.

Указанная задача решается за счет того, что выравнивание амплитудно-фазового распределения на апертуре АФАР осуществляют путем умножения комплексных амплитуд выходных сигналов калибруемых приемных модулей на комплексные калибровочные коэффициенты, сформированные на основе сравнения комплексных амплитуд накопленных сигналов с выходов всех калибруемых приемных модулей с комплексной амплитудой накопленного сигнала с выхода опорного приемного модуля. При этом выполняют следующие операции. Формируют калибровочный сигнал в виде последовательности из N когерентных радиоимпульсов, где N - число элементов АФАР. Подают калибровочный сигнал на входы каждого приемного модуля. После предварительного усиления его на несущей частоте, частотного преобразования, основного усиления на промежуточной частоте производят аналого-цифровое преобразование выходного сигнала с выделением его квадратурных составляющих. Квадратурные составляющие выходных сигналов каждого приемного модуля подают на цифровые накапливающие сумматоры, где производят последовательное N-кратное суммирование квадратурных составляющих выходных сигналов. По накопленным значениям квадратурных составляющих выходных сигналов определяют их амплитуды и фазы. Сравнивают амплитуду и фазу накопленного выходного сигнала каждого приемного модуля с амплитудой и фазой одного из приемных модулей, принятого в качестве опорного. На основе сравнения амплитуд и фаз накопленных сигналов с выходов (N-1) калибруемых приемных модулей с амплитудой и фазой накопленного сигнала с выхода опорного приемного модуля формируют комплексные калибровочные коэффициенты, которые используют для калибровки комплексных коэффициентов передачи всех (N-1) калибруемых приемных модулей путем умножения комплексных амплитуд выходных сигналов калибруемых приемных модулей на соответствующие комплексные калибровочные коэффициенты. Сигнал с выхода опорного приемного модуля и сигналы с выходов калибруемых приемных модулей подают на систему цифрового формирования диаграммы направленности АФАР [5, с. 17-31].

Техническим результатом изобретения является повышение точности калибровки приемной АФАР при одновременном упрощении ее технической реализации за счет исключения из состава всех приемных модулей управляемых аттенюаторов и фазовращателей и применения вместо них цифровых комплексных перемножителей.

Сущность изобретения иллюстрируется следующими фигурами: на фиг. 1 приведена структурная схема устройства для калибровки приемной АФАР; на фиг. 2 - структурная схема приемного модуля АФАР; на фиг. 3 - структурная схема блока калибровки; на фиг. 4 - структурная схема генератора калибровочных сигналов.

Устройство, реализующее предлагаемый способ калибровки АФАР, содержит (фиг. 1) N калибруемых приемных модулей 1 с излучателями 2, выходы квадратурных составляющих комплексных амплитуд выходных сигналов каждого приемного модуля и (i∈0, N-1) соединены с соответствующими входами блока калибровки 3, выходы калибровочных сигналов «КС» с номерами 0, 1, …i… (N-1) соединены с калибровочными входами соответствующих приемных модулей 1, а выходы квадратурных составляющих комплексных амплитуд выходных сигналов калибруемых приемных модулей , , …, , , …, , , а также выходы квадратурных составляющих комплексной амплитуды выходного сигнала опорного приемного модуля и подключены к соответствующим входам системы 4 цифрового формирования диаграммы направленности АФАР. Каждый приемный модуль АФАР (фиг. 2) содержит входной малошумящий усилитель 5, смеситель - 6, усилитель промежуточной частоты - 7, аналого-цифровой квадратурный преобразователь - 8. Дополнительно в схему каждого приемного модуля включен коммутатор - 9, первый вход которого соединен с излучателем 2, второй вход соединен с i-м выходом (i - номер приемного модуля, i∈0, Ν-1) блока калибровки - 3, управляющий вход коммутатора 9 соединен с пультом управления РЛС для подачи команды «ПУСК», а выход соединен с входом малошумящего усилителя 5, выход которого подключен к первому входу смесителя 6, на второй вход которого подано напряжение гетеродина U_гет, а выход подключен к входу усилителя промежуточной частоты 7, выход которого подключен к входу аналого-цифрового квадратурного преобразователя 8. Квадратурные выходы аналого-цифрового квадратурного преобразователя 8 , , (i∈0…N-1) являются выходами каждого приемного модуля и соединены с соответствующими входами блока калибровки 3. Блок калибровки 3 (фиг. 3) содержит генератор калибровочных сигналов - 10, выход калибровочных сигналов «КС» которого соединен с входом СВЧ делителя мощности - 11, выходы 0, …, i, …, (N-1) которого подключены к i калибровочным входам коммутатора 9 соответствующих приемных модулей (фиг. 2). Выход тактовых импульсов «ТИ» генератора калибровочных сигналов 10 подключен к входам синхронизации накапливающих сумматоров - 12_i, 13_i, (i∈0, N-1) квадратурных составляющих комплексных амплитуд выходных сигналов приемных модулей, информационные входы указанных накапливающих сумматоров соединены с соответствующими выходами квадратурных составляющих комплексных амплитуд выходных сигналов приемных модулей и (i∈0, N-1), а выходы накапливающих сумматоров подключены к входам соответствующих вычислителей модуля - 14_i и аргумента - 15_i (i∈0, N-1). Выходы вычислителей модуля 14_i и аргумента 15_i подключены к входам вычислителя комплексных коэффициентов калибровки - 16, выходы действительной части и мнимой части (i∈1, N-1) комплексных коэффициентов калибровки (i∈1,N-l) которого подключены к первым входам комплексных перемножителей - 17_i (i∈1, N-1), а ко вторым входам указанных комплексных перемножителей подсоединены выходы соответствующих калибруемых приемных модулей от 1-го до (N-l)-гo. Выходы всех комплексных перемножителей 17_i являются выходами калиброванных амплитуд выходных сигналов приемных модулей , (i∈1, N-1) и соединены с входами системы цифрового формирования диаграммы направленности 4 АФАР (фиг. 1). Генератор калибровочных сигналов 10 (фиг. 4) содержит кварцевый генератор - 18, выход которого подключен к входу гетеродина - 19, выход которого является выходом напряжения гетеродина U_гет, кроме того, выход кварцевого генератора 18 подключен к входу делителя частоты - 20 и к первому входу схемы «И» - 21, второй вход которой соединен с выходом триггера - 22, а выход соединен с входом генератора тактовых импульсов - 23, выход которого является выходом тактовых импульсов («ТИ») генератора калибровочных сигналов 10 и, кроме того, подключен к входу генератора модулирующих импульсов - 24 и к входу реверсивного счетчика - 25, выход которого подключен к первому входу триггера 22, второй вход которого является входом «ПУСК» генератора калибровочных сигналов 10, выход генератора модулирующих импульсов 24 подключен ко второму входу модулятора - 26, выход которого является выходом калибровочных сигналов «КС» генератора 10.

Калибровку приемных модулей фазированных антенных решеток осуществляют следующим образом. Для начала работы на вход генератора калибровочных сигналов 10 подают сигнал «ПУСК» с пульта оператора РЛС. При этом триггер 22 (фиг. 4) переводится в состояние «1», открывается схема «И» 21 (фиг. 4), коммутаторы 9 всех приемных модулей (фиг. 2) подключают входы малошумящих усилителей 5 всех приемных модулей к выходам калибровочных сигналов «КС» генератора калибровочных сигналов 10 (фиг. 3). Кварцевый генератор 18 (фиг. 4) вырабатывает гармоническое напряжение с частотой ƒ_кв.г, которое в делителе частоты 20 (фиг. 4) после ограничения по амплитуде преобразуется в импульсное напряжение типа «меандр» той же частоты, на выходе делителя частоты 20 формируется последовательность импульсов, частота повторения которых F_ТИ=ƒ_кв.г/n, где n - коэффициент деления частоты. Эти импульсы проходят через открытую схему «И» 21 (фиг. 4) и запускают генератор тактовых импульсов 23, где они преобразуются в прямоугольные импульсы заданной длительности τ_ТИ, которые поступают на выход «ТИ» генератора калибровочных сигналов 10 (фиг. 3) и используются для синхронизации накапливающих сумматоров 11_i, 12_i (фиг. 3). Кроме того, импульсы с выхода генератора тактовых импульсов 23 (фиг. 4) поступают на вход генератора модулирующих импульсов 24, где они преобразуются в прямоугольные импульсы заданной длительности τ_КС, которые открывают нормально закрытый модулятор 26 (фиг. 4), преобразующий непрерывные колебания кварцевого генератора 18 частоты ƒ_кв.г в когерентную последовательность из N радиоимпульсов калибровочного сигнала длительностью τ_кс с частотой повторения F_П=ƒ_кв.г/n. Когерентность пачки N калибровочных импульсов обеспечивается тем, что модулирующие импульсы формируются из гармонических колебаний кварцевого генератора 18 после деления их частоты в n раз делителем частоты 20. Кроме того, тактовые импульсы с выхода генератора тактовых импульсов 23 (фиг. 4) поступают на вход реверсивного счетчика импульсов 25, который после поступления на него N тактовых импульсов обнуляется и формирует сигнал, переводящий триггер 22 в нулевое состояние, в результате чего схема «И» 21 закрывается и прекращается формирование тактовых импульсов «ТИ» и импульсов калибровочного сигнала «КС». Сформированные таким образом N когерентных радиоимпульсов через делитель мощности 11 (фиг. 3) и через коммутаторы 9 (фиг. 2) поступают на входы всех приемных модулей, где предварительно усиливаются малошумящим усилителем 5, преобразуются на промежуточную частоту смесителем 6, на второй вход которого подано напряжение гетеродина U_ГЕТ с соответствующего выхода генератора калибровочных сигналов 10. Когерентность импульсов промежуточной частоты обеспечивается тем, что напряжение гетеродина U_ГЕТ в блоке генератора калибровочных сигналов 10 формируется из колебаний кварцевого генератора 18. После усиления усилителем промежуточной частоты 7 (фиг. 2) эти импульсы преобразуются в цифровую форму аналого-цифровым квадратурным преобразователем 8 (фиг. 2) с выделением квадратурных составляющих и комплексной амплитуды выходного сигнала i-го приемного модуля (i∈0, N-1), которые поступают на соответствующие накапливающие сумматоры 11_i, 12_i (фиг. 3), на выходе которых в результате N-кратного когерентного суммирования формируются суммарные комплексные сигналы с действительной и мнимой частями. Результаты суммирования и поступают на соответствующие вычислители модуля 14_i и аргумента 15i (фиг. 3).

Результаты вычислений модуля комплексной суммарной амплитуды и аргумента φ_Σί поступают на входы вычислителя комплексных калибровочных коэффициентов 16 (фиг. 3), которые для каждого калибруемого приемного модуля определяются как отношение комплексной амплитуды накопленного выходного сигнала нулевого (опорного) приемного модуля к комплексной амплитуде накопленного выходного сигнала i-гo калибруемого приемного модуля .

Действительную и мнимую части комплексного калибровочного коэффициента каждого калибруемого приемного модуля с номерами i∈(1, N-1) подают на первые входы соответствующих комплексных перемножителей 17_i (фиг. 3), на вторые входы которых подают выходные сигналы соответствующих калибруемых приемных модулей.

В результате чего на выходах перемножителей 17_i получают калиброванные значения комплексных амплитуд выходных сигналов калибруемых приемных модулей , квадратурные составляющие которых в точности равны квадратурным составляющим комплексной амплитуды выходного сигнала нулевого (опорного) приемного модуля, т.е. выходные сигналы всех приемных модулей оказываются одинаковыми как по амплитуде, так и по фазе. Непосредственно с выхода нулевого (опорного) модуля и с выходов соответствующих комплексных перемножителей 17_i (фиг. 3) на вход схемы цифрового формирования диаграммы направленности 4 (фиг. 1) поступают равноамплитудные и синфазные сигналы, путем взвешенного суммирования которых формируется диаграмма направленности (ДН) АФАР [5].

Данный способ калибровки приемных модулей АФАР позволяет повысить точность калибровки приемной АФАР при одновременном существенном упрощении его технической реализации за счет исключения из состава всех приемных модулей управляемых аттенюаторов и фазовращателей.

Источники информации

1. Шишов Ю.А., Ворошилов В.А., Ясенков Т.В. Особенности калибровки приемных антенных решеток РЛС дальнего обнаружения. - Труды XXVIII Всероссийского симпозиума «Радиолокационное исследование природных сред» // Том 2, СПб., ВКА имени А.Ф. Можайского, 2013 г., с. 127-135 (прототип).

2. Бубнов Г.Г. и др. Коммутационный способ измерения характеристик фазированных антенных решеток. - М.: Радио и связь, 1989 г. - 120 с.

3. Патент РФ №2147753, G01S 7/40. Способ калибровки антенной решетки / Б.Г. Йоханиссон, У. Фарссен. - №97100131/09; Заявлено 01.06.1995. Опубликовано 20.04.2000.

4. Патент РФ №2467346, G01S 7/40. Способ калибровки активной фазированной антенной решетки / В.В. Задорожный, А.Ю. Ларин. - №2011127436/08; Заявлено 04.07.2011. Опубликовано 20.11.2012.

5. Григорьев Л.Н. Цифровое формирование диаграммы направленности в фазированных антенных решетках. - М.: Радиотехника, 2010 г. - 144 с.

Изобретение относится к антенной технике и может использоваться для калибровки приемных активных фазированных антенных решеток (АФАР), применяемых в радиолокационных станциях дальнего обнаружения. На вход каждого приемного модуля подают калибровочный сигнал в виде когерентной последовательности N радиоимпульсов, мощность которых имеет значения одного порядка с мощностью сигналов, поступающих на входы приемных модулей при работе РЛС в штатном режиме. После их усиления, преобразования на промежуточную частоту и аналого-цифрового преобразования с выделением квадратурных составляющих комплексных амплитуд выходных сигналов приемных модулей осуществляют их последовательное N-кратное когерентное суммирование. Формируют комплексные калибровочные коэффициенты путем сравнения комплексной амплитуды накопленного выходного сигнала приемного модуля, принятого за опорный, с комплексными амплитудами накопленных выходных сигналов калибруемых приемных модулей. Выравнивание комплексных коэффициентов передачи приемных модулей для обеспечения равномерного амплитудно-фазового распределения поля на раскрыве АФАР осуществляют путем комплексного умножения комплексных амплитуд выходных сигналов калибруемых приемных модулей на соответствующие комплексные калибровочные коэффициенты. Причем диаграмму направленности АФАР формируют путем весового суммирования комплексной амплитуды выходного сигнала опорного приемного модуля со скорректированными значениями комплексных амплитуд выходных сигналов всех калибруемых приемных модулей. Технический результат заключается в повышении точности калибровки при одновременном упрощении конструкции приемного модуля АФАР. 2 н.п. ф-лы, 4 ил.

1. Способ калибровки приемной активной фазированной антенной решетки (АФАР) радиолокационной станции (РЛС) дальнего обнаружения, содержащей N приемных модулей (ПМ), включающий подачу на вход каждого ПМ калибровочного сигнала в виде когерентной последовательности N радиоимпульсов, значение мощности которых выбирается одного порядка с мощностью сигналов, поступающих на входы ПМ при работе РЛС в штатном режиме, их предварительное усиление на несущей частоте, преобразование на промежуточную частоту, усиление на промежуточной частоте, аналого-цифровое преобразование с выделением квадратурных составляющих комплексных амплитуд выходных сигналов, их последовательное когерентное суммирование, вычисление модуля и аргумента сигнала, вычисление комплексного калибровочного коэффициента путем сравнения комплексной амплитуды накопленного выходного сигнала нулевого ПМ, принятого за опорный, с комплексными амплитудами накопленных выходных сигналов калибруемых ПМ, отличающийся тем, что калиброванные значения комплексных амплитуд выходных сигналов калибруемых ПМ формируют путем умножения комплексных амплитуд выходных сигналов калибруемых ПМ на соответствующие комплексные калибровочные коэффициенты, причем диаграмму направленности АФАР формируют путем весового суммирования комплексной амплитуды выходного сигнала опорного ПМ с калиброванными значениями комплексных амплитуд выходных сигналов всех калибруемых ПМ.

2. Устройство для калибровки приемной АФАР, содержащее N ПМ АФАР с излучателями, один из которых принят в качестве опорного, выходы квадратурных составляющих комплексных амплитуд выходных сигналов которых соединены с соответствующими входами блока калибровки, выходы калибровочных сигналов которого соединены с калибровочными входами соответствующих ПМ, а выходы квадратурных составляющих комплексных амплитуд выходных сигналов калиброванных ПМ, а также выходы квадратурных составляющих комплексной амплитуды выходного сигнала опорного ПМ подключены к соответствующим входам системы цифрового формирования диаграммы направленности АФАР, отличающееся тем, что в состав блока калибровки входит генератор калибровочных сигналов, выход которого через делитель мощности соединен с выходами калибровочных сигналов блока калибровки, а также накапливающие сумматоры по числу калибруемых ПМ, входы которых подключены к выходам квадратурных составляющих комплексных амплитуд выходных сигналов соответствующих ПМ, а выходы соединены с входами вычислителей модуля и аргумента выходных сигналов калибруемых ПМ, выходы которых соединены с входами вычислителя комплексных калибровочных коэффициентов, выходы которого соединены с первыми входами комплексных перемножителей, вторые входы которых подключены к выходам калибруемых ПМ, а выходы соединены с соответствующими входами системы цифрового формирования диаграммы направленности АФАР, причем в ПМ АФАР, выполненный в виде последовательно соединенных малошумящего усилителя (МШУ), смесителя, усилителя промежуточной частоты и аналого-цифрового квадратурного преобразователя, выходы которого являются выходами ПМ, дополнительно введен коммутатор, первый вход которого соединен с излучателем, второй вход является калибровочным, третий вход предназначен для подачи команды «ПУСК», а выход соединен со входом МШУ.