Способ диагностики антенной решетки Российский патент 2023 года по МПК H01Q25/00 H01Q3/26 

Изобретение относится к области радиотехники, а именно к антенным измерениям, осуществляемым в ближней зоне.

Изобретение может быть использовано в аппаратуре для измерений характеристик антенных решеток, в том числе активных (АФАР), мониторинга их состояния, выявления неисправных элементов.

Задача диагностики (контроля) антенных решеток (АР), в том числе фазированных (ФАР) и активных фазированных (АФАР), т.е. задача определения состояния ее реального амплитудно-фазового распределения является одной из наиболее важных в процессе разработки и отладки радиотехнической системы (Воскресенский Д. И., Канащенков А. И. Активные фазированные антенные решетки //Радиотехника. – 2004. – Т. 488.)

Известны методы диагностики, основанные на включение в состав антенной решетки дополнительных элементов (Oscar L. Method and apparatus for testing phased array antennas: пат. 3378846 США. – 1968; Бубнов Г. Г. и др. Коммутационный метод измерения характеристик ФАР //М.: Радио и связь. – 1988).

К их недостаткам относится низкая оперативность и слабая чувствительность сигналов от отдельных элементов на фоне полного излученного поля (Воскресенский Д. И., Канащенков А. И. Активные фазированные антенные решетки //Радиотехника. – 2004. – Т. 488).

От этих недостатков свободны реконструктивные методы, основанные на измерении электромагнитного поля в ближней зоне с последующим восстановлением апертурного распределения поля в элементах антенны (Бахрах Л.Д. и др. Методы измерения излучающих систем в ближней зоне //Л. - 1985 г. - 272с. - 1985). Указанные методы реализованы в ряде способов диагностики антенной решетки.

Известен способ ( et al. The sources reconstruction method for antenna diagnostics and imaging applications //Solutions and Applications of Scattering, Propagation, Radiation and Emission of Electromagnetic Waves. - 2012), 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 в апертуре ФАР, а затем выявлены дефектные излучатели тестируемой ФАР.

Известен способ диагностики антенных решеток, также основанный на измерении амплитуд и фаз значений амплитуд и фаз электромагнитного поля в ближней зоне с последующим восстановлением амплитуд и фаз токов в излучателях антенной решетки путем решения системы переопределенной системы линейных уравнений, например ( et al. The sources reconstruction method for antenna diagnostics and imaging applications //Solutions and Applications of Scattering, Propagation, Radiation and Emission of Electromagnetic Waves. – 2012), а также (Данилов И.Ю., Седельников Ю. Е. Диагностика апертурных распределений антенн путем измерений в зоне ближнего излученного поля //Журнал радиоэлектроники. – 2016. – №. 1. – С. 12-12).

Недостатком указанных методов является необходимость измерения амплитуд и фаз напряженности поля в каждой из точек в области измерений с высокой точностью.

От этого недостатка свободны бесфазовые методы, основанные на измерении только амплитуд в удвоенном числе точек с последующей реконструкцией амплитудно-фазового распределения токов в элементах решетки путем решения системы нелинейных уравнений, связывающих токи в излучателях со значениями поля в области измерений. (Razavi S. F. Planar near-field phaseless measurement techniques for antenna characterizations and diagnostics. – University of California, Los Angeles, 2011).

Недостатком бесфазных методов является неоднозначность найденного амплитудно-фазового распределения и, следовательно, недостаточно высокая надежность диагностики.

Наиболее близким аналогом заявленного способа является описанный в (Sedelnikov Y.E., Shagvaliev T.R. Analysis of Methods for Reconstructing the Amplitude-phase Distribution of Antennas Measured in near Radiated Field Zone //2021 Antennas Design and Measurement International Conference (ADMInC). – IEEE, 2021. – С. 58-60) способ определения апертурного распределения антенной решетки:

где коэффициентами A_mn - являются расчетные значения напряженности электромагнитного поля создаваемого n-м элементом антенной решетки в m-й точке измерения и сравнении рассчитанного амплитудно-фазового распределения |J _реш >с требуемым |J _{реш треб} >. Основной недостаток способа, выбранного в качестве прототипа, состоит в следующем. Проведение указанных измерений производится в соответствии со схемой, показанной на Фиг. 1.

Для его осуществления требуется проведение измерений значений амплитуд и фаз напряженности поля в каждой из точек измерения, что требует использования опорного электромагнитного колебания, фаза которого постоянна для всех точек измерения. При практической реализации это означает необходимость использования фазостабильной линии передачи, соединенной с генератором колебаний и входом устройства для измерения фазы, электрическая длина которой должна сохраняться постоянной при перемещении антенны-датчика вдоль апертуры антенны.

Задачей изобретения является исключения требования наличия опорного колебания, в точках измерения поля в зоне ближнего излученного поля.

Техническим результатом, на достижение которого направлено предполагаемое изобретение, является упрощение организации измерений в зоне ближнего излученного поля путем исключения необходимости в наличии фазостабильной линии передачи, соединенной с генератором высокочастотного сигнала и используемой для измерения фазы колебаний в точке измерения.

Технический результат достигается тем, что производится измерение значений напряженности электромагнитного поля в М точках E_{m изм}, расположенных в зоне ближнего излученного поля, где М не менее N - числа элементов решетки, вычислении амплитудно-фазового распределения J_{n реш} в ее элементах путем решения системы линейных алгебраических уравнений

и сравнении рассчитанного амплитудно-фазового распределения |J _реш > с требуемым |J _{реш треб} >, причем в каждой m-й точке производится измерение амплитуды электромагнитного поля и разности фаз принимаемых колебаний в m и m-1 точках, а модули коэффициентов A_mn равны расчетным значениям модуля напряженности электромагнитного поля, создаваемого n-м элементом решетки в m-й точке, а фазы равны разности фаз в m-й и m-1 точках.

На Фиг.1 показана схема измерений согласно способу-прототипу.

На Фиг.2 показана схема измерений согласно заявляемому способу.

Здесь 1 - антенная решетка, 2 - генератор, 3 - амплифазометр.

На Фиг.3 показаны результаты электродинамического моделирования.

Диагностика антенной решетки согласно заявляемому способу осуществляется следующим образом. Измерения проводятся в M точках, расположенных в зоне ближнего излученного поля, например в плоскости, отстоящей от апертуры антенной решетки на расстояние z₀:

В каждой m-й точке измеряют амплитуду напряженности электромагнитного поля и разность фаз значений в m-й и m-1 точках Связь значений токов в антенне I_n и напряженности поля в m-й точке измерений считается известной.

Значения коэффициентов для данного типа излучателей и координат их расположения определяется заранее путем расчета. Приближенные значения коэффициентов равны:

где расстояние между n-м элементом решетки и m-й точкой измерения, значение диаграммы направленности n-го элемента решетки в направлении m-й точкой измерения.

Согласно заявляемому способу в каждой из M точек измеряются значения амплитуд напряженности поля и разности фаз в m-й точке измерения и предыдущей, (m-1)-й Расчетные значения этих величин равны:

Уточненные значения могут при необходимости быть рассчитаны с использованием известных процедур электродинамического моделирования, например CST Microwave Studio.

Расчетные значения напряженности поля в точках измерения равны:

Указанные значения должны быть равными измеренным значениям

Таким образом, неизвестные значения комплексных амплитуд токов в элементах антенной решетки могут быть определены как решение системы линейных уравнений:

или, в матричной форме:

Решение указанной системы уравнений осуществляется известными методами, например путем использования обратной матрицы

Далее производится сравнение найденного распределения токов с заданным распределением токов, соответствующим технически исправной решетке. И по их совпадению судят о соответствии диагностируемой антенной решетке техническим требованиям.

Для подтверждения технического результата изобретения проведено электродинамическое моделирование измерений согласно заявляемому способу. Моделирование осуществлялось следующим образом:

- задавалось амплитудно-фазовое распределение, соответствующее наличию дефектного элемента

- находилось расчетным путем электромагнитное поле в точках измерений в области ближнего излученного поля

- формировались «измеренные» данные путем внесения искажений в значения соответствующих наличию погрешности измерений;

- формировались искаженные значения коэффициентов соответствующие наличию погрешности модели антенной решетки;

- производилась реконструкция распределения токов по «измеренным» данным.

На Фиг.3 показано распределение токов в антенной решетке, найденное в результате моделирования измерений и обработки полученных данных согласно заявляемому способу. Расчеты соответствуют антенной линейной антенной решетке из 20 элементов с шагом 2λ. Измерения проводились в зоне ближнего излученного поля на расстоянии 3 λ от решетки. Число измерений – 20, шаг – 2λ.

Например, дефектный элемент n=3 (ток=0), в остальных токи равны 1. Погрешность измерений 5%, погрешность измерения фазы – 0.05 рад, погрешность задания модели – 5%. Шаг решетки и шаг измерений 2 длины волны.

Способ диагностики антенной решетки сможет быть реализован следующим образом:

Для проведения измерений используется существующая аппаратура ближнепольных измерений, например, производимая НПО «ТРИМ- сверхширокополосные измерительные системы» (https://trimcom.ru/main-page/). В качестве датчика измеряемого поля используется штатная антенна-датчик системы ближнепольных измерений. Ее выход соединяется с векторным измерителем цепей СВЧ, например серии NA-X производства фирмы KEYSIGHT (PNA-X Series Microwave Network Analyzers [Electronic resource]. – USA : Keysight Technologies, 2015. – Mode of access: https://www.keysight.com/us/en/assets/7018-02294/brochures/5990-4592.pdf.).

Вторая антенна-датчик выполняется аналогичной и устанавливается на расстоянии от первого датчика на расстоянии не менее 1.5...2 длины волны с возможностью одновременного перемещения совместно с первой антенной-датчиком. Ее выход соединяется с входом опорного канала векторного измерителя параметров цепей. Схема измерений показана на Фиг. 2.

Способ диагностики антенной решетки заключается в измерении напряженности электромагнитного поля в М точках E_{m изм}, расположенных в зоне ближнего излученного поля, вычислении амплитудно-фазового распределения I_{n реш} в ее элементах путем решения системы линейных алгебраических уравнений:

причем в каждой m-й точке производится измерение амплитуды электромагнитного поля в и разности фаз в m и (m-1) точках, а элементы A_mn равны расчетным значениям модуля напряженности электромагнитного поля, создаваемого n-м элементом решетки в m-й точке, а фазы равны разности фаз в m-й и (m-1) точках. Техническим результатом при реализации заявленного решения является упрощение организации измерений в зоне ближнего излученного поля путем исключения необходимости в наличии фазостабильной линии передачи, соединенной с генератором высокочастотного сигнала и используемой для измерения фазы колебаний в точке измерения. 3 ил.

Способ диагностики антенной решетки, заключающийся в измерении значений напряженности электромагнитного поля точках E_{m изм} в М точках, расположенных в зоне ближнего излученного поля, где М не менее N - числа элементов решетки, вычислении амплитудно-фазового распределения J_{n реш} в ее элементах путем решения системы линейных алгебраических уравнений:

|J _реш > = [A] | E _изм >

и сравнении рассчитанного амплитудно-фазового распределения |J _реш > с требуемым |J _{реш треб} >, отличающийся тем, что в каждой m-й точке производится измерение амплитуды электромагнитного поля в и разности фаз в m и m-1 точках, а коэффициенты A_mn равны расчетным значениям модуля напряженности электромагнитного поля, создаваемого n-м элементом решетки в m-й точке, а фазы равны разности фаз в m-й и m-1 точках.