СПОСОБ КАЛИБРОВКИ МОДУЛЯ АКТИВНОЙ ФАЗИРОВАННОЙ АНТЕННОЙ РЕШЕТКИ Российский патент 2024 года по МПК H01Q21/29 H04B17/11 H04B17/21 G01R23/16 

Изобретение относится к области радиоэлектроники и может быть использовано для калибровки приемного или передающего радиочастотного (РЧ) тракта модулей активной фазированной антенной решетки (АФАР), обеспечивающей формирование диаграммы направленности (ДН) заданной формы электронным способом и используемой в радиолокации, системах связи, а также для радиоэлектронного противодействия и радиотехнической разведки.

В настоящее время используются АФАР, в которых к каждому излучателю (антенному элементу) подключены приемные, передающие или приемо-передающие модули (ППМ), при этом в состав РЧ трактов модуля входят фазовращатель, аттенюатор, усилители мощности и согласующие цепи. Элементы РЧ тракта не являются идентичными от модуля к модулю и в совокупности с технологическими погрешностями и дестабилизирующими факторами, вносят составляющую разброса параметров РЧ тракта. В результате, амплитуда и фаза выходных сигналов модуля будут отличаться от расчетных значений, что вызовет ошибки в амплитудно-фазовом распределении поля по апертуре АФАР и приведет к снижению коэффициента усиления антенны и росту уровня боковых лепестков ДН. Для обеспечения расчетных параметров АФАР, необходимо проводить калибровку модулей на завершающей стадии изготовления, с целью снижения разброса выходных параметров и устранения воздействия дестабилизирующих факторов в процессе эксплуатации. В связи с тем, что АФАР могут содержать, десятки и сотни модулей, а количество измерительной информации достигает более миллиона состояний на модуль, возникает необходимость в автоматизации измерительных процессов.

Известен способ калибровки приемо-передающей АФАР [Патент РФ 2647514, H01Q 21/00, G01S 7/40], в котором для калибровки приемных каналов ППМ на их входы подают контрольный сигнал, на основе сравнения амплитуд и фаз выходных сигналов приемных каналов калибруемых модулей с амплитудой и фазой выходного сигнала приемного канала опорного ППМ формируют корректирующие сигналы, которые используют для регулировки комплексных коэффициентов передачи приемных каналов калибруемых ППМ. Аналогично осуществляют калибровку и передающих каналов ППМ, причем калибровка передающих каналов модулей производится независимо от калибровки приемных каналов модулей, в качестве опорного выбирается ППМ, расположенный в центре апертуры активной ФАР, а формирование корректирующих сигналов осуществляют с учетом обеспечения требуемого закона амплитудного распределения поля на апертуре приемо-передающей АФАР. Основным недостатком данного способа является отсутствие калибровки выходной мощности ППМ.

Известен так же способ усиления мощности РЧ сигнала в ППМ АФАР [Патент РФ 2650049, H01Q 21/00, H03G 3/22], включающий формирование калибровочной таблицы, отражающей зависимость между мощностью на выходе приемо-передающего канала и соответствующим напряжением питания предварительного и выходного усилителей мощности. Недостаток данного способа заключаются в отсутствии операций калибровки по амплитуде и фазе, соответственно не могут быть учтены дополнительные влияющие на выходной сигнал факторы, обусловленные входящими в состав модуля элементами - аттенюатором и фазовращателем.

Таким же недостатком обладает способ управления усилителем мощности РЧ сигнала [Патент РФ 2015145410, H03G 3/24, H03F 3/217], принятый за прототип, и включающий измерение выходной мощности и регулирование амплитуды РЧ сигнала, отличающийся тем, что производят предварительное измерение выходной мощности РЧ сигнала в заданном температурном и частотном диапазоне для формирования массива температурных и частотных поправок к амплитуде РЧ сигнала, и последующее регулирование амплитуды РЧ сигнала посредством изменения напряжения, подаваемого на усилитель мощности.

Технической задачей, решаемой настоящим изобретением, является создание способа калибровки приемного или передающего РЧ тракта модулей АФАР, в частности, используемой в модульном радиотехническом комплексе защиты летательных аппаратов, лишенного указанных недостатков.

Технический результат изобретения заключается в повышении общей эффективности АФАР за счет компенсации разброса параметров каждого модуля в процессе формирования заданной ДН АФАР, и в улучшении эксплуатационных характеристик, за счет обеспечения взаимозаменяемости модулей и в отсутствии необходимости перекалибровки АФАР после ремонта.

Технический результат достигается путем калибровки приемного или передающего РЧ тракта модуля АФАР за один цикл с помощью автоматизированной системы, содержащей управляющий компьютер, векторный анализатор цепей (ВАЦ), источник питания, интерфейсный модуль (адаптер) для передачи управляющих команд и записи массивов данных калибровки в модуль. При работе АФАР, массивы данных калибровки используются устройством управления модуля для обеспечения заданных характеристик по амплитуде и фазе комплексного коэффициента передачи S21, а также для измерения мощности выходного сигнала модуля.

По предлагаемому способу автоматически выполняют следующие операции:

- калибровка приемного или передающего РЧ тракта модуля по амплитуде комплексного коэффициента передачи S₂₁, которая заключается в подаче с выхода ВАЦ на вход модуля синусоидального контрольного сигнала в рабочем диапазоне частот F модуля с шагом Δƒ измерение с помощью ВАЦ значений коэффициента передачи S21 при всех возможных значениях изменения ослабления А дискретным аттенюатором, формирование многомерного массива зависимости значений изменений ослабления А аттенюатором от амплитуды комплексного коэффициента передачи S₂₁ и частоты ƒ;

- калибровка приемного или передающего РЧ тракта модуля по фазе комплексного коэффициента передачи S₂₁, которая заключается в подаче с выхода ВАЦ на вход модуля синусоидального контрольного сигнала в рабочем диапазоне частот F модуля с шагом по частоте Δƒ и измерение с помощью ВАЦ значений фазы ϕ комплексного коэффициента передачи S₂₁ сигнала при всех возможных значениях изменения фазы Ф дискретным фазовращателем, формирование многомерного массива Ф(ϕ, ƒ), зависимости значений изменения фазы Ф фазовращателем от фазы ϕ комплексного коэффициента передачи S₂₁ и частоты ƒ;

- калибровка приемного или передающего РЧ тракта модуля по выходной мощности, которая заключается в подаче с выхода ВАЦ на вход модуля синусоидального контрольного сигнала в рабочем диапазоне частот F, с шагом по частоте Δƒ и при изменении мощности в рабочем диапазоне Р, измерение с помощью ВАЦ мощности выходного сигнала Р_вых модуля и считывание значения кода АЦП сигнала U_дет с детектора выходной мощности, с последующим формированием многомерного массива P_вых(U_дет, ƒ), зависимости значений выходной мощности Р_вых от уровня сигнала детектора выходной мощности U_дет и частоты ƒ.

Возможна обработка полученного массива данных Р_вых(U_дет, ƒ) путем применения линейной аппроксимации по методу наименьших квадратов для каждой точки по частоте и формирование многомерного массива коэффициентов полиномов для каждой точки по частоте:

где, N - код АЦП,

P_i - выходная мощность в дБм,

A_i и B_i коэффициенты полинома для i-той частоты, i=l…n;

В РЧ тракте модуля, возможно использование аттенюатора и фазовращателя с аналоговым управлением, тогда для проведения операции калибровки модуля прибегают к разбиению их рабочего диапазона на конечное число состояний с шагом ΔА и ΔФ.

Сущность изобретения иллюстрируется фиг. 1, на которой показана, в качестве примера, схема подключения передающего модуля (фиг. 2) к контрольному и измерительному оборудованию. Считывание и обработка измеряемых данных осуществляется управляющим компьютером (поз. 1, фиг. 1) с помощью программного обеспечения (ПО). ВАЦ (поз. 2, фиг. 1) подключается к управляющему компьютеру, управление модулем осуществляется с помощью интерфейсного модуля (поз. 3, фиг. 1). После запуска ПО, автоматически подается напряжение на модуль с источника питания (поз. 4, фиг. 1) и производятся операции калибровки РЧ тракта модуля. После операции калибровки, полученные многомерные массивы данных калибровки записывается в память модуля активной фазированной антенной решетки (поз. 6, фиг. 2). Запись в модуль многомерных массивов в указанных форматах, позволяет в процессе функционирования АФАР, с минимальной задержкой и без вычислительных затрат, производить нахождение устройством управления модуля (производится только выборка из памяти), необходимых значений ослабления А аттенюатора или фазы Ф фазовращателя для заданных в командах управления частоте сигнала, амплитуде или фазе комплексного коэффициента передачи S₂₁ модуля.

С целью документирования результатов калибровки, а также для случаев ремонта модуля, после завершения операции калибровки, массивы данных сохраняются в виде файлов в формате CSV на удаленный сервер с формированием протокола калибровки модуля в формате XML, с возможностью его печати на принтере (поз. 7, фиг. 1).

Изобретение относится к области радиоэлектроники и может быть использовано для калибровки приёмного или передающего радиочастотного (РЧ) тракта модулей активной фазированной антенной решетки (АФАР), обеспечивающей формирование диаграммы направленности (ДН) заданной формы электронным способом и используемой в радиолокации, системах связи, а также для радиоэлектронного противодействия и радиотехнической разведки. Техническим результатом является повышение общей эффективности АФАР за счет компенсации разброса параметров каждого модуля в процессе формирования заданной ДН АФАР, улучшение эксплуатационных характеристик за счет обеспечения взаимозаменяемости модулей и отсутствие необходимости перекалибровки АФАР после ремонта. Технический результат достигается путем калибровки приёмного или передающего РЧ тракта модуля АФАР за один цикл с помощью автоматизированной системы, содержащей управляющий компьютер, векторный анализатор цепей, источник питания, интерфейсный модуль (адаптер) для передачи управляющих команд и записи массивов данных калибровки в модуль. При работе АФАР массивы данных калибровки используются устройством управления модуля для обеспечения заданных характеристик по коэффициенту передачи и фазе, а также для измерения выходной мощности модуля. По предлагаемому способу автоматически выполняют следующие операции: калибровка приёмного или передающего РЧ тракта модуля по коэффициенту передачи; калибровка приёмного или передающего РЧ тракта модуля по фазе; калибровка приёмного или передающего РЧ тракта модуля по выходной мощности. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Способ калибровки приемного или передающего радиочастотного тракта модуля активной фазированной антенной решетки с помощью автоматизированной системы, содержащей управляющий компьютер, векторный анализатор цепей, источник питания и интерфейсный модуль, отличающийся тем, что в автоматическом режиме выполняются следующие операции:

производится измерение амплитуды комплексного коэффициента передачи S₂₁ радиочастотного тракта в рабочем частотном диапазоне F, при всех возможных значениях изменения ослабления А аттенюатором, с последующим формированием многомерного массива зависимости значений изменений ослабления А аттенюатором от амплитуды комплексного коэффициента передачи S₂₁ и частоты ƒ и записью его в память модуля активной фазированной антенной решетки;

производится измерение фазы ϕ комплексного коэффициента передачи S₂₁ радиочастотного тракта в рабочем частотном диапазоне F, при всех возможных значениях изменения фазы Ф фазовращателем, с последующим формированием многомерного массива зависимости значений изменений фазы Ф фазовращателем от фазы ϕ комплексного коэффициента передачи S₂₁ и частоты ƒ и записью его в память модуля активной фазированной антенной решетки;

производится подача с выхода векторного анализатора цепей на вход модуля синусоидального контрольного сигнала в рабочем диапазоне частот F и в рабочем диапазоне мощностей Р, измерение мощности выходного сигнала Р_вых модуля активной фазированной антенной решетки и считывание значения кода АЦП сигнала U_дет с детектора выходной мощности модуля активной фазированной антенной решетки с последующим формированием многомерного массива зависимости значений выходной мощности от уровня сигнала детектора выходной мощности U_дет и частоты ƒ и записью его в память модуля активной фазированной антенной решетки.

2. Способ калибровки по п. 1, отличающийся тем, что производится обработка полученного массива зависимости значений выходной мощности Р_вых от уровня сигнала детектора выходной мощности U_дет и частоты ƒ путем применения линейной аппроксимации по методу наименьших квадратов для каждой точки по частоте и формирование многомерного массива коэффициентов полиномов для каждой точки по частоте:

P_i=A_i+B_i⋅N,

где N - код АЦП,

P_i - выходная мощность в дБм,

A_i и B_i - коэффициенты полинома для i-й частоты, i=l…n.