Способ контроля комплексного коэффициента усиления приемного канала приемно-передающего модуля активной фазированной антенной решетки СВЧ-диапазона Российский патент 2024 года по МПК H01Q21/00 G01R29/10 

Предлагаемое изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано при контроле характеристик приемного канала приемно-передающего модуля (ППМ) активной фазированной антенной решетки (АФАР) сверхвысокочастотного (СВЧ) диапазона.

Известны ППМ АФАР [1-4], общий недостаток которых состоит в том, что при проведении контроля работоспособности они не обеспечивают достоверность контроля параметров приемного канала.

Ближайшим аналогом заявляемого технического решения является способ контроля работоспособности приемного канала ППМ АФАР по патенту [5], принятый в качестве прототипа. В состав структурной схемы, реализующей способ-прототип входят: СВЧ-выключатель приемного канала, выход которого соединен с ответвляющей частью направленного ответвителя приемного канала, а выход направленного ответвителя соединен со входом диплексера. Первый выход диплексера соединен со входом малошумящего согласующего усилителя Ku-диапазона, выход которого соединен с первым входом СВЧ-переключателя. Второй выход диплексера соединен со входом МШУ Х-диапазона, выход которого соединен со входом согласующего усилителя Х-диапазона, а его выход соединен со вторым входом СВЧ-переключателя. Выход СВЧ-переключателя соединен с защитным устройством, выход которого соединен со входом аттенюатора с температурной зависимостью затухания, а его выход соединен со входом десятиразрядной линии задержки. Выход десятиразрядной линии задержки соединен со входом аттенюатора, выполненного с линией задержки и встроенным согласующим усилителем. Выход аттенюатора соединен со входом пятиразрядной линии задержки, выход которой соединен со входом шестиразрядного аттенюатора, выход которого подключен ко входу согласующего усилителя. При этом выходной усилитель мощности, предварительный усилитель мощности и согласующий усилитель, малошумящий усилитель Ku-диапазона, МШУ Х-диапазона, согласующий усилитель Ku-диапазона, согласующий усилитель Х-диапазона, десятиразрядная линия задержки, пятиразрядная линия задержки и согласующий усилитель соединены с модулятором питания приемного канала. Причем линии задержки имеют схему управления, а аттенюаторы имеют свою схему управления. К СВЧ-переключателю подключен коммутатор. Направленный ответвитель, установленный на входе передающего канала, ответвляет необходимый уровень мощности на вход приемного канала, что позволяет провести проверку работоспособности приемного канала без использования дополнительного оборудования. Диплексер обеспечивает работу каналов модуля в Ku и X-диапазонах. Малошумящий усилитель Ku-диапазона, МШУ Х-диапазона, согласующий усилитель Ku-диапазона и согласующий усилитель Х-диапазона усиливают входной сигнал в соответствующих диапазонах. СВЧ-переключатель в приемном канале переключает его вход в соответствии с частотой принимаемого сигнала.

Для проверки коэффициента усиления приемного канала в режиме работы АФАР на «прием» на вход передающего канала подают СВЧ-сигнал с выбранным заранее номинальным уровнем мощности. При этом модулятор питания передающего канала находится в отключенном состоянии. Часть СВЧ-сигнала ответвляется через направленный ответвитель на вход СВЧ-выключателя, находящегося в режиме «открыт». С выхода СВЧ-выключателя СВЧ-сигнал поступает на вход управляемого аттенюатора, с помощью которого задается требуемое ослабление СВЧ-сигнала для обеспечения необходимого уровня мощности для штатной работы приемного канала ППМ. Ослабленный СВЧ-сигнал с выхода аттенюатора через СВЧ-выключатель, работающий в режиме «открыт», и направленный ответвитель поступает на вход диплексера. Далее происходит усиление и модуляция СВЧ-сигнала в соответствии со штатной работой приемного канала. В таком режиме модулятор питания приемного канала находится во включенном состоянии. Зная уровень мощности, поступающей на вход диплексера, и мощность на выходе приемного канала ППМ, производят оценку коэффициента усиления приемного канала.

Из изложенного следует, что в качестве тестового сигнала используется ответвленный направленным ответвителем гармонический сигнал СВЧ-генератора (гетеродина). Самое главное, что уровень этого сигнала значительно превышает уровень собственных шумов приемного канала, а после усиления этого сигнала МШУ и согласующими усилителями возможно его ограничение. Поэтому результаты оценки коэффициента усиления приемного канала ППМ, полученные в соответствии со способом-прототипом, нельзя признать достоверными. Дело в том, что уровень тестового сигнала должен быть одного порядка с уровнем отраженного сигнала, поступающего на вход приемного канала при работе РЛС в штатном режиме, а он всегда значительно ниже уровня собственных шумов канала.

Для обнаружения сигнала с вероятностью 0,6 при допустимом значении вероятности ложной тревоги F=10^-8 требуемое отношение сигнал-шум по мощности (q²) в соответствии с [6, с. 163, формула 10] составляет примерно q²≈70. Предположим, что применена авиационная РЛС «Белка» Х-диапазона, АФАР которой содержит 640 ППМ, а мощность падающей на апертуру волны распределяется между всеми ППМ при мерно равномерно. Тогда отношение сигнал-шум на входе приемного канала одного ППМ составит 70/640 ≈ 0,1, то есть значительно меньше единицы. Таким образом, первый недостаток прототипа состоит в том, что он не обеспечивает достоверность определения комплексного коэффициента усиления приемного канала.

Второй недостаток прототипа состоит в том, что он не учитывает фазовый сдвиг сигнала при прохождении через приемный канал. Именно разброс значений фазового сдвига приводит к нарушению закона распределения фазы на апертуре АФАР, а эти нарушения сильнее искажают диаграмму направленности АФАР, чем амплитудные

В соответствии с изложенным цели изобретения состоят в следующем:

обеспечение достоверности определения комплексного коэффициента усиления приемного канала ППМ;

обеспечение контроля за фазовым распределением поля на апертуре АФАР.

Технический результат изобретения состоит в обеспечении достоверности определения комплексного коэффициента усиления приемного канала ППМ и осуществлении контроля за фазовым распределением поля на апертуре АФАР.

Первая из указанных целей изобретения достигается тем, что при технической реализации предлагаемого способа выполняют следующие действия. Формируют тестовый сигнал в виде когерентной последовательности М прямоугольных радиоимпульсов, где М - количество ППМ АФАР. Уровень тестового сигнала соответствует уровню поступающих на вход приемного канала ППМ сигналов при работе РЛС в штатном режиме, а длительность согласована с шириной его полосы пропускания. Оценим уровень входного сигнала на примере РЛС AN/N TPY-2 Х-диапазона, АФАР которой с площадью полотна 9,8 м² содержит 25344 ППМ.

Ранее было показано, что для обнаружения сигнала с вероятностью D=0,6 при вероятности ложной тревоги F=10^-8 отношение сигнал-шум должно составлять q²=70. Мощность собственного шума приемного канала ППМ определяется соотношением

где k - постоянная Больцмана, k=1,37.10^-23 Дж/К°,

Т - температура в градусах Кельвина,

F - ширина полосы пропускания приемного канала ППМ.

Величина B определяет разрешающую способность РЛС по дальности. Например, если разрешающую способность равна 1,5 м, то B=10⁸ Гц, мощность собственного шума приемного канала ППМ составит 4,11 10^-23, а мощность принимаемого сигнала Р_с=Р_ш.q²≈3⋅10^-21 Вт.

Полагая, что эта мощность делится примерно поровну между приемными каналами всех ППМ, определяем мощность принимаемого сигнала на входе одного ПК

где М - число ППМ АФАР

Именно такого уровня тестовый сигнал необходимо подавать на вход приемного канала ППМ при измерениях его характеристик. Однако при этом невозможно производить измерения, так как уровень сигнала ниже уровня собственных шумов приемного канала. Поэтому в качестве тестового сигнала применяется когерентная последовательность из М прямоугольных радиоимпульсов, где М - число ППМ АФАР, сформированная из гармонического сигнала СВЧ-генератора ППМ, поступающего с упомянутого выше направленного ответвителя, уровень которого согласно описанию прототипа [5] известен, однако в отличие от прототипа поступает не на вход приемного канала, а на вход формирователя тестовых сигналов, где после соответствующих преобразований формируется упомянутая выше последовательность радиоимпульсов, длительность которых согласована с шириной полосы пропускания приемного канала ППМ, а мощность а снижена до требуемого уровня. Сформированный тестовый сигнал поступает на вход приемного канала и одновременно на вход первого когерентного сумматора. Одновременно сигнал с выхода приемного канала поступает на вход второго когерентного сумматора. Таким образом, достигается первая цель изобретения обеспечение достоверности определения комплексного коэффициента усиления премного канала.

Вторая цель изобретения достигается тем, что упомянутые выше выходные сигнала двух когерентных сумматоров представляют в форме комплексных амплитуд и путем деления второй комплексной амплитуды на первую получают значения и модуля, и фазы коэффициента усиления приемных каналов ППМ АФАР.

Вариант структурной схемы устройства, реализующего предлагаемый способ приведен на фиг. 1. В состав структурной схемы (фиг. 1) входят: переключатель 1 «контроль-работа», первый вход которого является входом приемного канала ППМ, диплексер 2, обеспечивающий работу приемного канала в СВЧ-диапазоне X или Ku, соответствующие выходы которого связаны со входами МШУ 3 Х-диапазона и МШУ 4 Ku-диапазона, согласующий усилитель 5 Х-диапазона и согласующий усилитель 6 Ku-диапазона, связывающие выходы МШУ 3 и 4 с выходным узлом 7 приемного канала, выход которого через второй когерентный сумматор 10 связан со вторым входом вычислителя 11 комплексного коэффициента усиления, на первый вход которого поступает выходной сигнал первого когерентного сумматора 9. На вход сумматора 9 поступает сигнал с выхода переключателя 1 «контроль-работа». Формирователь 8 тестовых сигналов обеспечивает формирование тестового сигнала из гармонического сигнала, снятого направленным ответвителем 13 с линии передачи, связывающей выход СВЧ-генератора 12 со входом передающего канала ППМ. Выходной сигнал формирователя 8 поступает на второй вход переключателя 1 «контроль-работа».

Отличия предлагаемого способа контроля комплексного коэффициента усиления приемного канала приемно-передающего модуля активной фазированной антенной решетки от прототипа являются существенными, так как они позволяют обеспечить достоверность определения комплексного коэффициента усиления приемного канала ППМ и осуществить контроль за фазовым распределением поля на апертуре АФАР.

Источники информации

1. Патент РФ №2454763, H01Q 21/00. Приемопередающий модуль активной фазированной антенной решетки СВЧ-диапазона./ А.Г. Далингер, В.М. Малыщик, В.А. Иовдальский. Заявка №2010142131/07. Заявлено 13.10.2010. Опубликовано 27.06.2012.

2. Патент РФ №2713079, H01Q 21/00, Приемопередающий модуль активной фазированной антенной решетки СВЧ-диапазона./ А.Г. Далингер, С.В. Шацкий, В.А. Иовдальский, М.С. Карасев Заявка №2019112691. Заявлено 25.04.2019. Опубликовано 03.02.2020.

3. Патент РФ №2730042, H01Q 21/00. Приемопередающий модуль активной фазированной антенной решетки СВЧ-диапазона./ А.Г. Далингер, С.В. Шацкий, В.А. Иовдальский, М.С. Карасев. Заявка №2019134707. Заявлено 30.10.2019. Опубликовано 14.08.2020.

4. Патент РФ №2788821, H01Q 21/00. Приемопередающий модуль активной фазированной антенной решетки СВЧ-диапазона./ М.С. Карасев, В.А. Иовдальский. Заявка №2022109385. Заявлено 08.04.2022. Опубликовано 24.01.2023.

5. Патент РФ №2800337, H01Q 21/00. / А.Г. Далингер, М.С. Карасев, С.В. Шацкий, С.А. Щёголев, А.В. Адиатулин. Заявка №2023105318. Заявлено 09.03.2023. Опубликовано 20.07.2023 (прототип).

6. Теоретические основы радиолокации. Под ред. Я.Д. Ширмана. - М.: Сов. радио 1970.560 с.

7. Кедров И. Радиолокационный комплекс «Белка» для истребителя Су-57 - технологический шедевр, созданный НИИП им. В.В. Тихомирова/ Национальная оборона. №7 2021. - С. 88-93

8. Система ПРО США. Часть 2-я. // Военное обозрение, 12.03.2016, URL: http://topwar.ru/ (дата обращения 22.03.2024).

Изобретение относится к радиотехнике и служит для контроля характеристик приемного канала приемно-передающего модуля (ППМ) активной фазированной антенной решетки (АФАР) сверхвысокочастотного (СВЧ) диапазона. Технический результат - обеспечение достоверности определения комплексного коэффициента усиления приемного канала ППМ и контроля за фазовым распределением поля на апертуре АФАР. Результат достигается тем, что формируют тестовый сигнал в виде когерентной последовательности М прямоугольных радиоимпульсов, где М - количество ППМ АФАР, уровень тестового сигнала соответствует уровню поступающих на вход приемного канала ППМ сигналов при работе РЛС в штатном режиме, а длительность согласована с шириной его полосы пропускания, полученный тестовый сигнал подают на вход приемного канала и одновременно на вход первого когерентного сумматора, а также одновременно подключают второй когерентный сумматор к выходу приемного канала, а результаты суммирования обоих сумматоров подают на входы вычислителя, который осуществляет формирование комплексных амплитуд обоих результатов когерентного суммирования и путем деления второй комплексной амплитуды на первую выдает значение измеряемого комплексного коэффициента усиления приемного канала ППМ АФАР СВЧ. 1 ил.

Способ контроля комплексного коэффициента усиления приемного канала приемно-передающего модуля активной фазированной антенной решетки СВЧ-диапазона частот, в состав которого входят переключатель (1) «контроль-работа», установленный в положение «контроль», диплексер (2), обеспечивающий работу приемного канала в СВЧ-диапазонах X или Кu, малошумящий усилитель Х-диапазона (3), малошумящий усилитель Кu-диапазона (4), согласующий усилитель Х-диапазона (5), согласующий усилитель Ku-диапазона (6), выходной узел приемного канала (7), формирователь тестовых сигналов (8), формирующий тестовый сигнал из гармонического СВЧ-сигнала, снятого направленным ответвителем (13) с линии передачи, связывающей выход СВЧ-генератора (12) со входом передающего канала приемно-передающего модуля, заключающийся в том, что из упомянутого выше гармонического СВЧ-сигнала, уровень которого известен, путем преобразований формируют тестовый сигнал в форме пакета из М прямоугольных когерентных радиоимпульсов, где М - количество приемно-передающих модулей в составе активной фазированной антенной решетки, длительность которых согласована с шириной полосы пропускания приемного канала, а амплитуда ограничена до уровня одного порядка с мощностью сигналов, поступающих на вход приемного канала приемно-передающего модуля при работе РЛС в штатном режиме; далее полученный таким образом тестовый сигнал подают на вход приемного канала и одновременно на вход первого когерентного сумматора (9), а также одновременно подключают второй когерентный сумматор (10) к выходу приемного канала; результаты суммирования обоих сумматоров подают на входы вычислителя (11), который осуществляет формирование комплексных амплитуд обоих результатов когерентного суммирования и путем деления второй комплексной амплитуды на первую выдает значение измеряемого комплексного коэффициента усиления приемного канала приемно-передающего модуля активной фазированной антенной решетки СВЧ-диапазона частот.