Способ калибровки фазированной антенной решетки Российский патент 2023 года по МПК G01S7/40 H01Q21/00 

Изобретение относится к технике измерений ФАР с большим числом $$N$$ элементов, входящих в состав радиотехнических систем различного назначения, и может применятся для их калибровки для установки необходимого амплитудно-фазовое распределение (АФР) путем управления фазой и амплитудой токов (напряжений), возбуждающих излучатели тестируемой ФАР (ТФАР). Калибровку ФАР проводят как в процессе ее изготовления, так и при настройке и эксплуатации.

Известен способ определения АФР (например, см. Alvarez Y., Las-Heras F., Pino M. R. The Sources Reconstruction Method for Antenna Diagnostics and Imaging Applications // IEEE Transact. Antenna Propagat., Vol. 54. №6. 2007. P. 3460-3468), в котором на основе данных регистрации поля излучения в ближней зоне (БЗ) в безэховой камере и последующего численного решение интегрального уравнения проведена реконструкция распределения токов всех излучателей (АФР), расположенных апертуре ФАР, а затем могут быть выявлены излучатели тестируемой ФАР близкие к рабочим и заведомо дефектные. Известно, что указанная задача, направленная на определение распределения токов излучателей, является некорректно поставленной и требуется процедура регуляризации. Для ее численного решения использовано разложение неизвестного распределения токов по базисным функциям и затем задача сформулирована в матричной форме. Но для ФАР с большим числом элементов размер матрицы велик решение указанной задачи с учетом ошибок измерений и ошибок вычислений и плохой обусловленности задачи приводят к медленной или плохой сходимости, а значит падению точности реконструкции и достоверности восстановления АФР. Кроме того размерность решаемой задачи существенно возрастает, что требует значительных вычислительных ресурсов. При измерениях в регистрируемом зондом в БЗ сигнале существенный вклад вносят рабочие, маскируя слабые сигналы дефектных излучателей, что требует высокой точности и полноты измерений, например, на поверхности, окружающей ФАР. Калибровка в этом случае, сводится к определению рабочих излучателей и простой замене нерабочих излучателей ТФАР поскольку определение их амплитуды и фазы с приемлемой точностью на основе данного подхода сводится к повторному решению задачи и при отсутствии априорной информации о таких излучателей решение задачи практически невозможно.

Известен способ калибровки ФАР (например, см. Takahashi T., Konishi Y., Chiba I. A. Novel Amplitude-Only Measurement Method to Determine Element Fields in Phased Arrays. // IEEE Transact. Antenna Propagat., Vol. 60, №7, 2012., в котором на основе данных регистрации только амплитуд поля, полученных на основе последовательного вращения вектора электрического поля каждого элемента ФАР (rotating element electric field vector (REV), осуществляется калибровка, включающая определение амплитуды и фазы 20-элементной ТФАР. Предложенный авторами метод позволяет определить комплексное поле элемента в каждом изменении фазы дискретного фазовращателя (ДФВ). При калибровке угол поворота вектора поля каждого элемента определяется значением фазы ДФВ, а точность определения амплитуды и фазы зависит от самого дискрета и числа используемых значений фазы. Ошибка амплитуды и фазы поля элемента определяется для n-го положения ДФВ, при измерениях число n изменяется от 0 до N-1, где N максимальное число фаз. В работе авторов при проведении калибровки для уменьшения ошибки амплитуды и фазы каждого элемента ТФАР предложено использовать N=32 значений фазы, т.е. 5-битовый ДФВ. К существенным недостаткам представленного метода можно отнести: во-первых. он применим лишь для решеток с малым числом элементов и результаты приведены для 20-элементной ФАР. Во- вторых, для получения полного набора данных требуют больших временных затрат для накопления данных, поэтому предлагаемый способ не применим для калибровки активных ФАР, поскольку при длительной последовательной калибровке каждого элемента излучают все элементы, что существенно ограничивает ресурс дорогостоящей элементной базы таких ФАР. Кроме, того при проведении калибровки не учитывается влияние калиброванного излучателя на результат калибровке соседнего с ним, то есть фактически не учтено взаимовлияние излучателей. В этом случае распределение амплитуд и фаз излучателей ТФАР при расстоянии $$\le \lambda /2$$, что приводит к падению точности калибровки предлагаемым способом.

Известен способ калибровки ФАР (например, см. Keizer W., Fast and Accurate Array Calibration Using a Synthetic Array Approach // IEEE Transact. Antenna Propagat., Vol. 59. №11. 2011. рр. 4115-4122) в котором одновременная калибровка осуществляется только для ограниченного числа N K-элементной ФАР, расположенной в дальней зоне, относительно излучающей антенны, принятый ФАР и сигнал опорной приемной антенны поступает для совместной обработки в анализатор сигналов. Решение задачи калибровки тестируемой ФАР (ТФАР) реализуется на основе установки фиксированного распределений фаз между соседними элементам, предварительно перед проведением калибровки при измерениях проводят индивидуальную установку фазы каждого элемента с помощью ДФВ, установленного в каналах ФАР. Поскольку калибровка включает М измерений установка фазы между соседними элементами для каждого из них последовательно изменяется установками ДФВ, формируя линейные распределения фаз с соответствующим наклоном. Для решения задачи на основе измеренных данных формируют множитель K-элементной ТФАР, включающий изменения n наклонов фазы, реализуемое таким способом для N элементов ТФАР, при формировании данных обработки в режиме приема сигнала передающей антенны, расположенной в ДЗ (n=1,2,..., N). Это обеспечивают ограниченное наложение смежных N главных лепестков ДН, при этом остальные K - N элементов, не участвующие в калибровке, дают более широкий лепесток ДН, поскольку имеют нулевой наклон фаз, т.е. n=0. Синтезированный таким образом множитель решетки содержит N комплексных амплитуд (КА) I_n (n=1, 2, N), подлежащих определению, а также неизвестное значение I₀ (n=0). Поскольку результаты регистрации, полученные на основе множителя решетки, справедливы для любого направления u_n (n=0, 1, 2, N) сигналов, приходящих из ДЗ. Для определения КА (n=0, 1, 2, N), в указанном методе калибровки выбирают ряд таких направлений, а для решения задачи ряд данных регистрации преобразуют в систему N+1 линейных алгебраических уравнений (СЛАУ). Для решения СЛАУ используют стандартный матричный метод, связанный с определением обратной матрицы измерений, для исключения плохой обусловленности матрицы (ПОМ) необходимо во-первых, осуществить особый выбор направлений u_n, во-вторых, должно выполняться условие, что число измерений M должно быть N, которое установлено экспериментально. кроме того при K > N калибровку необходимо повторить K/N раз. Однако указанный способ калибровки обеспечивает исключение ПОВ только при условиях рассмотренных выше, но полный отказ одного или нескольких элементов ТФАР, содержащихся в N, приведет к росту числа обусловленности, к потере сходимости и точности решения задачи, что является существенным недостатком такого метода. Кроме того, сложность решения задачи таким методом и выполнения условий калибровки для плоской многоэлементной ФАР существенно отличаются, это приводит к еще большей потере сходимости и точности решения. Отметим также, что определение дефектных элементов в рассмотренной схеме калибровки можно осуществить только поэлементно. Предложенный метод неприменим для неплоских ФАР.

Известен способ калибровки (см. М.Н. Макурин и др. "Способы калибровки каналов фазированной антенной решетки", патент на изобретение RU 2700688 C1, заявка: 2018133635, 24.09.2018, опубликовано: 19.09.2019 Бюл. № 26). Представленный способ может использован лишь для калибровки излучателей ФАР с небольшим числом излучателей, поскольку калибровка осуществляется последовательно каждого элемента ФАР и содержит ряд этапов. На одном из этапов для определения вектора коэффициентов распространения от входа радиочастотного тракта каждого канала осуществляют умножение вектора-столбца комплексных амплитуд принятых сигналов на матрицу, являющуюся обратной к матрице состояний передатчика. Как правило обращение матрицы с учетом шумов радиочастотного тракта каждого канала приводит к неустойчивости определения векторов коэффициента распространения, что приводит к понижению точности решения задачи калибровки. Поскольку калибровка осуществляется последовательно каждого излучателя ФАР без учета взаимного влияния соседних излучателей, т.е. при работе всех элементов ФАР результаты поэлементной калибровки, полученные указанным способом, приведут к ошибкам в работе ФАР, так как в этом случае пространственная структура измерений амплитудно-фазового распределения, полученная предлагаемым способом, не является оптимальной. Кроме того, большой объем измерений для получения полного набора данных требуют больших временных затрат для получения и накопления данных, неприменим для АФАР с большим числом излучателей, что является существенным недостатком при ограниченном ресурсе ее элементной базы.

Кроме, того при проведении калибровки не учитывается характеристики зонда-регистратора (приемной антенны), в любом случае появляется кроссполяризационная компонента, которая может возрастать особенно при отражениях, важны также изменения характеристик калиброванного излучателя при калибровке соседнего с ним, то есть фактически не учтено взаимовлияние соседних излучателей ТФАР, это особенно проявляется при выключении всех каналов, которые не участвуют в передаче соответствующих сигналов. С учетом перечисленных недостатков такой калибровки, включающей определение амплитуд и фаз излучателей ТФАР, что приводит к падению точности калибровки предлагаемым способом. Фактически требуемые значения амплитуд и фаз излучателей ТФАР могут существенно отличаться от значений амплитуд и фаз калиброванной ТФАР.

Цель изобретения – повышение точности калибровки многоэлементных ФАР за счет существенного снижения влияния зонда при регистрации данных измерений поля излучения в ближней зоне тестируемой ФАР. а также оценка влияния его характеристик на точность определения амплитуды и фазы излучателей тестируемой ФАР в зависимости от выбора значений дополнительной фазы излучателя.

Наиболее близким техническим решением к предлагаемому является принятый за прототип (см. Г.Ю. Кузнецов, В.С. Темченко "Способ диагностики фазированной антенной решетки" патент на изобретение RU 2623825 C1, заявка: 2016112912, 05.04.2016, опубликовано: 29.06.2017 Бюл. № 19)

Данный результат достигается тем, что указанный способ диагностики большой N элементной ФАР, размещаемой в безэховой камере, включающий возбуждение излучателей (бездефектной) калиброванной ФАР (КФАР) и излучение сигналов, прием и запоминание вектор-столбца комплексных напряжений $$U_{К}{({\dot{U}}_1^{К},{\dot{U}}_2^{К}\mathrm{,...,}{\dot{U}}_M^{К})}^{\text{Т}}$$ на выходе зонда-регистратора (ЗР) в М выбранных точках измерений в ближней зоне (БЗ).

Затем в тех же точках M на той же поверхности, расположенной в БЗ, проводят повторение процедур возбуждения излучателей и излучения сигналов дефектной тестируемой ФАР (ТФАР), аналогично размещаемой при измерениях на месте КФАР, и конструктивно полностью совпадающей с ней, осуществляют прием и запоминание вектор-столбца комплексных напряжений $$U_T{({\dot{U}}_1^T,{\dot{U}}_2^T\mathrm{,...,}{\dot{U}}_M^T)}^{\text{Т}}$$на выходе используемого ЗР в тех же М выбранных точках, и вычисление функции разности комплексных напряжений калиброванной и тестируемой ФАР $$U=U_K-U_T$$, определяемую новым вектор-столбцом с элементами $${\dot{U}}_m^K-{\dot{U}}_m^T=U_m^K\exp i{\phi }_m^K-U_m^T\exp i{\phi }_m^T=U_m\exp i{\phi }_m^{}$$, $$m\in M$$, новой разреженной ФАР $${\overrightarrow{а}}_K-{\overrightarrow{а}}_T$$ равной разности вектор-столбцов возбуждения (комплексных амплитуд токов или напряжений возбуждения) излучателей (бездефектной) КФАР $${\overrightarrow{а}}_K={({а}_1^K,{а}_2^K\mathrm{,...,}{а}_N^K)}^{\text{T}}$$ и излучателей ТФАР $${\overrightarrow{а}}_{Т}={({а}_1^T,{а}_2^T\mathrm{,...,}{а}_N^T)}^{\text{T}}$$, матрицей измерений А, размер и элементы которой определяются числом N излучателей ФАР, их характеристиками, координатами, характеристиками ЗР и координатами М точек приема и регистрации сигналов, последующее формирование и минимизацию и определение N значений целевой функции (ЦФ) $$\psi =\Vert \overrightarrow{а}\Vert =\Vert {\overrightarrow{а}}_K-{\overrightarrow{а}}_T\Vert$$, на основе которого определяют координаты всех излучателей тестируемой ФАР, включающих группы рабочих, дефектных, а также ряд s=1, 2, …, q, …S потенциально дефектных (ПД), определяют ошибку установки фазы ПД излучателей тестируемой ФАР, и определяют разность фаз, $$\Delta \phi =\left|{\phi }_S^K-{\phi }_S^T\right|$$, s-го излучателя бездефектной КФАР с известным значением фазы $${\phi }_S^K$$ s-го ПД излучателя ТФАР с фазой $${\phi }_S^T$$, имеющих одинаковые координаты, и на основе порогового значение ЦФ определяют рабочие, а также ПД излучатели ТФАР, для определения фазы q-го ПД излучателя дополнительно изменяют фазу выбранного q-го ПД излучателя на 180°, затем возбуждают все излучатели тестируемой ФАР и в одной из $$m\in M$$ точек измерений регистрируют на выходе зонда напряжение $$U_{\Sigma \pi }^T\exp \text{i}{\phi }_{\Sigma \pi }^T$$ и запоминают его, затем вычитают его из известного $$U_{\text{Σ1}}^K\exp \text{i}{\phi }_{\text{Σ1}}^K$$ напряжения , зарегистрированного зондом в этой же точке при предварительных измерениях бездефектной KФАР, и определяют амплитуду и фазу разностного напряжения $$U_{\text{Σ2}}^{}\exp \text{i}{\phi }_{\text{Σ2}}^{}$$, а фазу q-го ПД излучателя TФАР вычисляют по формуле:

$${\phi }_q^{Т}=arctg\frac{U_{\Sigma 2}\sin {\phi }_{\Sigma 2}-U_{\Sigma 1}sin{\phi }_{\Sigma 1}}{U_{\Sigma 2}\cos {\phi }_{\Sigma 2}-U_{\Sigma 1}\cos {\phi }_{\Sigma 1}}$$, (1)

где $$U_{\Sigma 1}sin{\phi }_{\Sigma 1}=U_m^K\exp i{\phi }_m^K-U_m^T\exp i{\phi }_m^T$$ напряжение, равное известной функции разности комплексных напряжений $${\dot{U}}_m^K-{\dot{U}}_m^T$$ в точке $$m\in M$$, амплитуда и фаза которого определена на этапе предварительных измерений.

Недостатком данного способа является низкая точность определения амплитуды возбуждения излучателей ТФАР, поскольку ее точное определение на основе данного способа возможно только на основе данных измерений поля излучения в БЗ ТФАР, полученных при использовании идеального ЗР, то есть зонда, имеющего бесконечно малую апертуру. В этом случае уровень сигнала, поступающего с выхода ЗР на вход приемного устройства, настолько мал, что его дальнейшая обработка невозможна даже при малом уровне шумов. Кроме того, выбор изменения фазы выбранного q-го ПД излучателя на 180° приводит к изменению взаимовлияния соседних излучателей ТФАР, а взаимовлияние соседних с q-вым излучателем КФАР остается неизменным, что соответствует рабочему режиму, это приводит к дополнительной ошибке калибровки ТФАР. Дополнительные ошибки также обусловлены ошибками зонда по фазе и амплитуде при регистрации полей в точке $$m\in Р$$ (фиг. 1), в БЗ ТФАР.

Оценка выбора изменения значений фазы на точность определения его амплитуды при регистрации полей с учетом компенсации зонда при отношение сигнал/шум 40 дБ представлены в виде относительной разности нормированных амплитуд (ОРНА) излучателя линейной КФАР и ТФАР $$\left(N=100\right)$$, используемой в предлагаемом способе, показана на фиг. 2÷3. Ошибки зонда по фазе $${\Delta }_{0\phi }^{}$$ и амплитуде $${\Delta }_{0а}^{}$$ при регистрации полей при ДЗФ $$\Delta {\phi }_q^{Т}=\pi$$ в указанных точках в способе принятом за прототип, приведены на фиг. 4÷5, отношение сигнал/шум 40 дБ.

Техническим результатом предлагаемого изобретения по сравнению с прототипом является повышение точности решения задачи калибровки, включая точность определения амплитуды возбуждения излучателей многоэлементной ТФАР, основанное на значительном снижении ошибок зонда по фазе и амплитуде при регистрации полей в БЗ ТФАР, реализуемое за счет исключения влияния характеристик зонда при регистрации данных измерений поля излучения ТФАР, полученное на основе выбора одинаковых значений изменения дополнительной фазы q-го ПД излучателя ТФАР и соответственно q-го излучателя КФАР, такой выбор позволяет при совместной обработке данных измерений снизить взаимовлияния соседних излучателей с q-ым ПД излучателем ТФАР.

Заявляемое изобретение поясняется фигурами:

Фиг. 1. Геометрия системы координат тестируемого n-го излучателя на примере плоской ФАР и зонда-регистратора, расположенного в m-ой точке Р.

Фиг 2. Зависимость ОРНА, полученные с учетом компенсации ошибок ЗР по фазе и амплитуде при ДЗФ $$\Delta {\phi }_q^{Т}=\pi$$, отношение сигнал/шум 40 дБ, линейной ТФАР ($$N=100$$). Расстояние между излучателями $$\mathrm{0,7}\lambda$$

Фиг. 3. Зависимость ОРНА, полученные с учетом компенсации ошибок ЗР по фазе и амплитуде при ДЗФ $$\Delta {\phi }_q^{Т}=\pi /2$$, отношение сигнал/шум 40 дБ, линейной ТФАР ($$N=100$$). Расстояние между излучателями $$\mathrm{0,5}\lambda$$.

Фиг. 4. Зависимость ОРНА, полученные при с учетом ошибок ЗР фазе и амплитуде при $${\Delta }_{З\phi }^{}={\mathrm{11,25}}^0$$; $${\Delta }_{За}^{}=5\%$$; Расстояние между излучателями $$\mathrm{0,7}\lambda$$.

Фиг. 5. Зависимость ОРНА, полученные с учетом ошибок ЗР по фазе и амплитуде при $${\Delta }_{З\phi }^{}={\mathrm{11,25}}^0$$; $${\Delta }_{За}^{}=10\%$$; Расстояние между излучателями $$\mathrm{0,5}\lambda$$

Фиг. 6. Исходные амплитуды S=11 ПД излучателей плоской ТФАР, 53 рабочих излучателей с амплитудным распределением косинус на пьедестале (амплитуды рабочих элементов на фиг. не показаны)

Фиг. 7. Целевая функция разреженной ФАР, определяемая амплитудами излучателей КФАР и ТФАР.

Фиг. 8. Результаты восстановления амплитуды ПД излучателей плоской ТФАР S=11, при М=16, сигнал/шум 40дБ

Фиг. 9. Результаты минимизации целевой функции, используемые для восстановления амплитуды

Фиг.10. Плоская 64 элементная ФАР, обозначены номера ПД излучателей.

Фиг. 11. Уровни разностной и суммарной ДН 64 элементной ТФАР при разности нормированных амплитуд возбуждения излучателей КФАР и ТФАР $$\left|{\overrightarrow{а}}_K-{\overrightarrow{а}}_T\right|$$ ~17,0 дБ, для всех 64 излучателей ТФАР.

Фиг. 12. Уровни разностной и суммарной ДН 64 элементной ТФАР при разности нормированных амплитуд возбуждения излучателей КФАР и ТФАР $$\left|{\overrightarrow{а}}_K-{\overrightarrow{а}}_T\right|$$

Фиг. 13. Уровни разностной и суммарной ДН 64 элементной "идеальной" ФАР при разности нормированных амплитуд возбуждения излучателей КФАР и ТФАР.

Фиг. 14. Функциональная схема регистрации амплитудно-фазового

распределения поля излучения в ближней зоне.

На Фиг. 6÷9 представлены результаты калибровки тестируемой ФАР, включающие определение значений фазы излучателей на основе предложенного способа на примере плоской 64-элементной ФАР, с амплитудным распределением косинус на пьедестале, геометрия которой представлена на фиг.7.

Результаты калибровки получены на основе данных предварительных и дополнительных измерений, проведение минимизации (3) и расчета по формуле (4). При проведении процедур калибровки полагается, что амплитуды токов (напряжений) возбуждения рабочих излучателей 64 элементной тестируемой и калиброванной плоская совпадают и имеют распределение косинус на пьедестале (т.е. отсутствуют дефекты устройств питания излучателей ТФАР и КФАР).

Например, при пороговом значении ЦФ ψq=ψпор=0.028, определенном для излучателя n=63 (на Фиг. 9 отмечен символом ), при меньшем значении которого разность амплитуд целевой функции КФАР и ТФАР используемые для определения амплитуды ПД излучателей 64 элементной ТФАР возбуждения КФАР и ТФАР. Уровни разностной и суммарной ДН 64 элементной плоской ТФАР (фиг. 11) при разности нормированных амплитуд возбуждения излучателей КФАР и ТФАР $$\left|{а}_{к}-{а}_{Т}\right|$$ ≤17 ,0 дБ, для всех излучателей ТФАР, остальные излучатели со значениями ЦФ, не удовлетворяющими указанному условию в этом случае считаются заведомо дефектными.

На фиг. 13 для сравнения приведены результаты разностной и суммарной ДН "идеальной" ФАР. При пороговом значении ЦФ удовлетворяющие условию ψq=ψпор=0.031, определенном для излучателя n=50 (на Фиг. 9 отмечен символом ), при меньшем значении уровни разностной и суммарной ДН 64 элементной плоской ТФАР (фиг. 12) при разности нормированных амплитуд возбуждения излучателей КФАР и ТФАР $$\left|{а}_{к}-{а}_{Т}\right|$$ ≤13 ,0 дБ, для этого случая излучателей ТФАР также определяются как рабочие.

Остальные излучатели со значениями ЦФ, не удовлетворяющими указанному условию, со значениями ЦФ, не удовлетворяющими указанному условию, в этом случае считаются заведомо дефектными, Результаты восстановления амплитуды дефектных и потенциально дефектных излучателей при ограниченном наборе данных измерений в БЗ при М=15 и отношении сигнал/шум SNR=40 дБ подтверждают достоверность калибровки тестируемой ФАР (номера излучателей, значения восстановленных амплитуд (ВА) и исходных амплитуд (ИА) тестируемой ФАР приведены на Фиг. 8).

Последовательность и особенности необходимых вычислений на основе известных данных регистрации эталонной калиброванной ФАР, полученных при предварительных измерениях, и данных регистрации, полученных при дополнительных измерениях в предложенном способе калибровки тестируемой ФАР, осуществляются следующим образом:

1. Измеренное комплексное напряжение на выходе зонда-регистратора (ЗР) (амплитуду и фазу), полученное при предварительной регистрации поля излучения КФАР в выбранной точке $$m$$, координаты которой определяются вектором $${r^{\prime }}_m$$ (Фиг. 1), отдельно выделив из него вклад $$q$$-го из $$N$$ излучателей КФАР представим в виде

$${\dot{U}}_{\Sigma 1}^K({r^{\prime }}_m)={\dot{U}}_{\Sigma 1}^K=U_{\Sigma 1}^K\exp \text{i}{\phi }_{\Sigma 1}^K={\displaystyle \sum _{\begin{array}{l}n=1\\ n\ne q\end{array}}^N{U}_n^K\exp \text{i}{\phi }_n^K+U_q^K\exp \text{i}{\phi }_q^K}$$, (1)

где $${\dot{U}}_n^K=U_n^K\exp \text{i}{\phi }_n^K$$ – комплексные напряжения, соответствующие каждому из $$n$$ излучателей КФАР.

2. Проводят предварительные измерения комплексных напряжений при котором поле излучения регистрируют в точке $$m$$, при изменении фазы произвольного $$q$$-го излучателя КФАР $${\phi }_q^K$$ на $$\Delta {\phi }_q^K=\pi /2$$, и запоминают его на выходе ЗР $${\dot{U}}_{\Sigma 1q}^K({r^{\prime }}_m)$$,

$${\dot{U}}_{\Sigma 1q}^K({r^{\prime }}_m)={\dot{U}}_{\Sigma 1q}^K=U_{\Sigma 1q}^K\exp \text{i}{\phi }_{\Sigma 1q}^K={\displaystyle \sum _{\begin{array}{l}n=1\\ n\ne q\end{array}}^N{U}_n^K\exp \text{i}{\phi }_n^K+U_q^K\exp i\left({\phi }_q^K+\Delta {\phi }_q^K\right)}$$, (2)

затем устанавливают начальное значение $${\phi }_q^K$$ и повторяют аналогичные измерения для каждого из $$N-1$$ излучателей ТФАР и запоминают каждое из измеренных напряжений на выходе ЗР. Таким образом, в результате проведенных предварительных измерений КФАР на выходе ЗР при изменении фазы излучателей на $$\Delta {\phi }_q^K=\pi /2$$ запоминают $$N$$ напряжений (2), учитывая, что начальные фазы $${\phi }_n^K={\phi }_q^K$$, и амплитуды $$U_n^K=U_q^K$$ а также изменение фазы $$\Delta {\phi }_q^K$$ для всех каналов КФАР одинаковы $$n=\mathrm{1,}\mathrm{2,...,}N$$.

3. Представим измеренное комплексное напряжение на выходе зонда-регистратора (ЗР) (амплитуду и фазу), полученное при предварительной регистрации поля излучения ТФАР в выбранной точке $$m$$, координаты которой определяются вектором $${r^{\prime }}_m$$ (фиг. 1.), отдельно, выделив из нее вклад $$q$$-го из $$S$$ из потенциально дефектных (ПД) излучателей ТФАР, подлежащего тестированию, при этом $$q\in S$$ (фиг. 2.).

$${\dot{U}}_{\Sigma 1}^{Т}({r^{\prime }}_m)=U_{\Sigma 1}^{Т}\exp \text{i}{\phi }_{\Sigma 1}^{Т}={\displaystyle \sum _{n=1}^{N-S}{\dot{U}}_n^T+}{\displaystyle \sum _{\begin{array}{l}n=1\\ n\ne q\end{array}}^S{\dot{U}}_n^{Т}+{\dot{U}}_q^{Т}}$$, (3)

где $${\dot{U}}_{\Sigma 1}^{Т}$$, $${\phi }_{\Sigma 1}^{Т}$$, $$U_{\Sigma 1}^K$$,$${\phi }_{\Sigma 1}^K$$ – амплитуда и фаза напряжений, полученных при проведении измерений полей ТФАР и КФАР при аналогичных условиях; $$N-S$$ – число рабочих излучателей.

4. Для совместной обработки данных измерений представим измеренное комплексное напряжение поля излучения КФАР на выходе ЗР (1), регистрируемое в той же точке $$m$$ в виде (3)

$${\dot{U}}_{\Sigma 1}^K({r^{\prime }}_m)=U_{\Sigma 1}^K\exp \text{i}{\phi }_{\Sigma 1}^K={\displaystyle \sum _{n=1}^{N-S}{\dot{U}}_n^K+}{\displaystyle \sum _{\begin{array}{l}n=1\\ n\ne q\end{array}}^S{\dot{U}}_n^K+{\dot{U}}_q^K}$$, (4)

где $${\dot{U}}_n^{Т}=U_n^{Т}\exp \text{i}{\phi }_n^{Т}$$, $${\dot{U}}_n^K=U_n^K\exp \text{i}{\phi }_n^K$$ – комплексные напряжения, соответствующие каждому из $$n$$ излучателей ФАР; $$n=\mathrm{1,}\mathrm{2,...,}N;$$

5. Определяют разность предварительно регистрируемого напряжения КФАР (4) с регистрируемого напряжения ТФАР (3), которая соответствует разреженной ФАР

$${\dot{U}}_{D1}({r^{\prime }}_m)={\dot{U}}_{\Sigma 1}=U_{\Sigma 1}\exp i{\phi }_{\Sigma 1}={\dot{U}}_{\Sigma 1}^K-{\dot{U}}_{\Sigma 1}^{Т}={\displaystyle \sum _{n=1}^{N-S}\left({\dot{U}}_n^K-{\dot{U}}_n^{Т}\right)+}{\displaystyle \sum _{\begin{array}{l}n=1\\ n\ne q\end{array}}^S\left({\dot{U}}_n^K-{\dot{U}}_n^{Т}\right)}+{\dot{U}}_q^K-{\dot{U}}_q^{Т}$$. (5) Первое слагаемое в (5) малая величина, так как для $$N-S$$ рабочих элементов $${\dot{U}}_n^K\simeq {\dot{U}}_n^{Т}$$, поскольку в ТФАР координаты бездефектных т. е. рабочих излучателей ТФАР совпадают с соответствующими рабочими (калиброванными) излучателями КФАР ($$S$$<<$$N$$), что является существенным для повышения точности калибровки ТФАР поскольку вычитаются довольно большие и неинформативные величины напряжений по сравнению с малыми информативными, определяемые остальными слагаемыми в (5).

6. Для определения амплитуды и фазы q-го ПД излучателя ТФАР выделяют информативную часть в комплексном напряжении (5) для q-го ПД излучателя разреженной ФАР в виде:

$${\dot{U}}_{D1}({r^{\prime }}_m)={\dot{U}}_{\Sigma 1}=U_{\Sigma 1}\exp i{\phi }_{\Sigma 1}={\dot{U}}_q^K-{\dot{U}}_q^{Т}=U_{\Sigma 0}\exp i{\phi }_{\Sigma \text{0}}+U_q^K\exp i{\phi }_q^K-U_q^{Т}\exp i{\phi }_q^{Т}$$, (6)

где $$U_{\Sigma 0}\exp i{\phi }_{\Sigma \text{0}}={\displaystyle \sum _{n=1}^{N-S}\left({\dot{U}}_n^K-{\dot{U}}_n^{Т}\right)+}{\displaystyle \sum _{\begin{array}{l}n=1\\ n\ne q\end{array}}^S\left({\dot{U}}_n^K-{\dot{U}}_n^{Т}\right)}$$ - величина, сохраняющая свое значение при изменении амплитуды и фазы q-го ПД излучателя.

7. Проводят дополнительные измерения, при которых поле излучения ТФАР в выбранной точке $$m$$ регистрируют при изменении фазы q-го ПД излучателя ТФАР на $$\Delta {\phi }_q^{Т}=\pi /2$$ и запоминают его на выходе ЗР

$${\dot{U}}_{D2}({r^{\prime }}_m)=U_{\Sigma 2}\exp i{\phi }_{\Sigma 2}=U_{\Sigma 0}\exp i{\phi }_{\Sigma \text{0}}+U_q^K\exp i{\phi }_q^K-U_q^{Т}\exp i\left({\phi }_q^{Т}+\Delta {\phi }_q^{Т}\right)$$, (7)

8. На основе предварительных измерений комплексных напряжений, полученных при регистрации поля в точке $$m$$, и изменении фазы произвольного $$q$$-го излучателя КФАР на $$\Delta {\phi }_q^{Т}=\pi /2$$ (2) проводят выделении информативной части в комплексном напряжении (9) для q-го ПД излучателя ТФАР и полученное напряжение для разреженной ФАР по аналогии с (7) запоминают его на выходе ЗР

$${\dot{U}}_{D3}({r^{\prime }}_m)=U_{\Sigma 3}\exp i{\phi }_{\Sigma 3}=U_{\Sigma 0}\exp i{\phi }_{\text{0}}+U_q^K\exp i\left({\phi }_q^K+\Delta {\phi }_q^K\right)-U_q^{Т}\exp i{\phi }_q^{Т}$$. (8)

9. Исключают неинформативные величины$$U_{\Sigma 0}\exp i{\phi }_{\text{0}}$$, образуя разность комплексных амплитуд (6) и (5), а также (4) и (8) получают разности напряжений для определения КА $$q$$-го ПД излучателя тестируемой ФАР.

$$\begin{array}{l}{U}_{\Sigma 2}\exp i{\phi }_{\Sigma 2}-U_{\Sigma 1}\exp i{\phi }_{\Sigma 1}=U_q^{Т}\exp i{\phi }_q^{Т}-\\ -U_q^{Т}\exp i\left({\phi }_q^{Т}+\Delta {\phi }_q^{Т}\right)=U_q^{Т}\exp i{\phi }_q^{Т}\left(1-\exp i\Delta {\phi }_q^{Т}\right)\end{array}$$. (9)

$$\begin{array}{l}{U}_{\Sigma 1}\exp i{\phi }_{\Sigma 1}-U_{\Sigma 3}\exp i{\phi }_{\Sigma 3}=U_q^K\exp i{\phi }_q^K-\\ -U_q^K\exp i\left({\phi }_q^K+\Delta {\phi }_q^K\right)=U_q^K\exp i{\phi }_q^K\left(1-\exp i\Delta {\phi }_q^K\right)\end{array}$$ (10)

где выбор номера $$q$$-го излучателя КФАР в (10) соответствует номеру ПД в излучателя ТФАР в (8), а изменение его фазы $$\Delta {\phi }_q^{Т}=\Delta {\phi }_q^{К}=\pi /2.$$.

9. С учетом данных (9) и (10) получим соотношение, связывающее амплитуду и фазу возбуждения $$q$$-го излучателя ТФАР и КФАР

$$\frac{\left(U_{\Sigma 2}\exp i{\phi }_{\Sigma 2}-U_{\Sigma 1}\exp i{\phi }_{\Sigma 1}\right)}{\left(U_{\Sigma 1}\exp i{\phi }_{\Sigma 1}-U_{\Sigma 3}\exp i{\phi }_{\Sigma 3}\right)}=\frac{U_q^{К}}{U_q^{Т}}\exp i\left({\phi }_q^{Т}-{\phi }_q^K\right)=\frac{a_q^K}{a_q^T}\exp i\left({\phi }_q^{Т}-{\phi }_q^K\right)$$, (11)

затем на основе (11) получим амплитуду возбуждения $$q$$-го излучателя ТФАР

$$a_q^{Т}=a_q^K\sqrt{\frac{U_{\Sigma 2}^2+U{}_{\Sigma 1}{}^2-2U_{\Sigma 1}{U}_{\Sigma 2}\cos \left({\phi }_{\Sigma 2}-{\phi }_{\Sigma 1}\right)}{U_{\Sigma 1}^2+U{}_{\Sigma 3}{}^2-2U_{\Sigma 1}{U}_{\Sigma 3}\cos \left({\phi }_{\Sigma 3}-{\phi }_{\Sigma 1}\right)}}$$, (12)

а значение фазы $${\phi }_q^{Т}$$ указанного излучателя ТФАР определяется соотношением

$${\phi }_q^{Т}=arctg\frac{U_{\Sigma 2}\sin {\phi }_{\Sigma 2}-U_{\Sigma 1}sin{\phi }_{\Sigma 1}}{U_{\Sigma 2}\cos {\phi }_{\Sigma 2}-U_{\Sigma 1}\cos {\phi }_{\Sigma 1}}$$. (13)

Сравнение фаз ТФАР и КФАР позволяет исключить из результатов обработки измерений сигнал неосновной поляризации $$U_{\text{С}m}^{\text{Т(К)}}$$ и использовать результат регистрации на основной поляризации компоненты (5). На Фиг. 14 представлена упрощенная функциональная схема, реализующая техническое решение предлагаемого способа калибровки ТФАР на примере плоской (или линейной) ФАР, включающая устройство возбуждения (генератор) 1, сигнал с которого поступает на вход распределительной системы 2, включающей устройство управления фазой (УУФ) и амплитудой каналов, выходы с которого подключены к каждому из излучателей 3 тестируемой N элементной ТФАР 3, размещение которой на основании 4 совпадает с размещением калиброванной КФАР 5, полностью совпадающей по конструкции с ТФАР, включая тип и структуру излучателей. В ближней зоне ФАР расположен зонд-регистратор 7, сигнал с которого поступает на амплифазометр 8, на который также подается опорный сигнал с N+1 канала распределительной системы 2. Неподвижный зонд-регистратор 7 размещен в одной из точек $$$$$$m\in M$$ измерений плоскости Р, проведенных при предварительной измерениях поля излучения в М точках с помощью сканирующего устройства 8, управляемого через интерфейс 10 специализированной ЭВМ 11. При проведении дополнительных измерений в соответствии с предлагаемым способом калибровки ТФАР в запоминающем устройстве (ЗУ) ЭВМ, хранятся данные предварительно проведенных измерений калиброванной ФАР при последовательном изменении фазы на $$\Delta {\phi }_{К}$$ сигналом, поступающим с выхода интерфейса 10 на вход УУФ распределительной системы 2 при регистрации поля излучения для каждого из N излучателей ТФАР во всех точках $$m\in M$$ плоскости Р. Затем сигналом, поступающим с выхода интерфейса на вход УУФ распределительной системы 2, меняют фазу выбранного из ряда ПД излучателей ТФАР на $$\Delta {\phi }_{Т}$$ сигналом, регистрируют поле излучения ТФАР и запоминают напряжение с выхода зонда 7. В предложенном способе калибровки могут быть использован банк данных 6 численного моделирования (ЧМ) КА КФАР, зарегистрированных в специализированной ЭВМ 11 результатов ЧМ предварительного измерения поля излучения во всех точках $$m\in M$$ идеальным ЗР с учетом последовательного изменения фазы.

Таким образом, предлагаемый способ позволяет повысить точность калибровки тестируемой ФАР путем определения ошибки установки дополнительной фазы, а также исключения влияния зонда регистратора при регистрации поля ТФАР. Кроме того, реализовать экономию ресурса работы активных ФАР при их калибровке, поскольку в дополнительных измерениях участвуют лишь ПД излучатели, а регистрация поля зондом осуществляют только в одной из точек измерений. На примере ДН 64 элементной плоской ТФАР (фиг. 12) определено, что при пороговом значении ЦФ удовлетворяющие условию ψq=ψпор при меньшем значении которого уровни разностной и суммарной ДН для этого случая определяются как рабочие.

Изобретение относится к антенной технике, в частности к технике измерений параметров фазированной антенной решетки (ФАР) с большим числом N элементов, и служит для калибровки при частичном или полном отказе устройства управления амплитудой части излучателей тестируемой ФАР. Технический результат - повышение точности решения задачи калибровки, включающей определение амплитуды возбуждения излучателей многоэлементной ФАР. Результат достигается тем, что при решении задачи калибровки используют данные комплексных амплитуд токов или напряжений возбуждения излучателей и данные измерений, полученных в тех же точках ближней зоны при излучении сигналов бездефектной калиброванной ФАР, размещаемой на месте тестируемой ФАР и конструктивно полностью совпадающей с ней, затем формируют функцию разности комплексных амплитуд возбуждения излучателей новой разреженной ФАР и функцию разности комплексных напряжений, регистрируемых на выходе зонда в точках проведенных измерений. 2 з.п. ф-лы, 14 ил.

1. Способ калибровки фазированной антенной решетки (ФАР), состоящей из N элементов и размещаемой в безэховой камере, включающий возбуждение излучателей тестируемой ФАР (ТФАР) и излучение сигналов, прием и запоминание комплексных напряжений на выходе зонда-регистратора в M<N выбранных точках на ограниченной поверхности, расположенной в ближней зоне (БЗ), повторение процедур возбуждения излучателей и излучения сигналов калиброванной ФАР (КФАР), размещаемой аналогично на месте ТФАР, конструктивно полностью совпадающей с ней, приема и запоминания комплексных напряжений на выходе используемого зонда-регистратора в тех же М выбранных точках, и на основе функции разности комплексных напряжений и минимизации целевой функции определяют координаты всех излучателей ТФАР, включающих группы рабочих, а также ряд потенциально дефектных (ПД) излучателей ТФАР (S<<N), а также ошибку установки фазы или полный отказ устройства управления фазой ПД излучателей тестируемой ФАР, для этого, начиная с ПД излучателя с большим значением целевой функции (ЦФ) (s=1), последовательно для ряда ПД, имеющих невозрастающие значения ЦФ , определяют разность фаз , установленных устройствами управления фазой s-го излучателя бездефектной ТФАР с известным значением фазы и s-го ПД излучателя ТФАР с фазой , имеющих одинаковые координаты, и определяют пороговое значение ЦФ для q-го излучателя , при меньшем значении которого разность фаз не превышает заданного значения , например значения, сравнимого с дискретом устройства управления фазой, все излучатели из ряда ПД при , имеющие значение ЦФ , определяются как рабочие, а остальные определяются как заведомо дефектные, для этого дополнительно изменяют фазу выбранного q-го ПД излучателя на 180°, затем возбуждают все излучатели тестируемой ФАР и в одной из точек измерений регистрируют на выходе зонда напряжение и запоминают его, затем в этой же точке вычитают его из известного напряжения , зарегистрированного зондом в этой же точке при предварительных измерениях бездефектной КФАР, при этом определяют комплексную амплитуду и фазу разностного напряжения , а фазу q-го ПД излучателя тестируемой ФАР вычисляют по формуле ,

где - напряжение, равное известной функции разности комплексных напряжений в точке , амплитуда и фаза которого определена на этапе предварительных измерений, отличающийся тем, что определяют ошибку определения установки амплитуды или полный отказ устройства управления амплитудой ПД излучателей тестируемой ФАР, для этого начиная с ПД излучателя с большим значением ЦФ (s=1), последовательно для ряда ПД, имеющих невозрастающие значения ЦФ , определяют разность амплитуд , установленных устройствами управления амплитудой s-го излучателя бездефектной опорной калиброванной ФАР с известным значением амплитуды и s-го ПД излучателя тестируемой ФАР с амплитудой , имеющих одинаковые координаты, и определяют пороговое значение ЦФ для q-го излучателя , при меньшем значении которого разность амплитуд не превышает заданного значения , например значения, сравнимого с минимальным шагом перестройки ступенчатого аттенюатора для установки требуемых амплитуд излучателей для формирования ДН тестируемой ФАР с заданными свойствами, все излучатели из ряда ПД при s≥q, имеющие значение ЦФ , определяются как рабочие, а остальные определяются как ПД, для этого дополнительно изменяют фазу выбранного q-го ПД излучателя на 90°, затем возбуждают все излучатели тестируемой ФАР и в одной из точек измерений на выходе зонда напряжение и запоминают его, затем вычитают его из известного напряжения, зарегистрированного зондом в этой же точке при предварительных измерениях бездефектной опорной ФАР, и определяют амплитуду и фазу разностного напряжения , , а амплитуду q-го ПД излучателя тестируемой ФАР вычисляют по формуле ,

где - напряжение, определяется разностью известных значений в точке , комплексная амплитуда которого определяется на этапе предварительных измерений.

2. Способ калибровки по п.1, отличающийся тем, что вышеупомянутые разностные напряжения определяют при изменении фазы на 180°, если расстояние между излучателями на апертуре ФАР превышает половину длины волны.

3. Способ калибровки по п.1, отличающийся тем, что вышеупомянутые разностные напряжения определяют на основе численного моделирования.