Устройство калибровки приемных каналов приемно-передающих модулей многолучевой цифровой активной фазированной антенной решетки Российский патент 2024 года по МПК H01Q21/00 H04B17/21 G01R29/10 

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

Характеристики элементов и узлов, образующих систему цифрового формирования диаграммы направленности фазированной антенной решетки, имеют разброс параметров, вызванных известными причинами [1, с. 69], что приводит к искажению амплитудно-фазового распределения поля на апертуре антенны и, как следствие - к искажению ее диаграммы направленности. Для устранения этого явления в активных фазированных антенных решетках (АФАР) проводится периодическая калибровка комплексных коэффициентов передачи передающих и приемных каналов ее приемно-передающих модулей (ППМ). При этом особое внимание следует уделять калибровке приемных каналов, так как, во-первых, искажения приемной диаграммы направленности вносят основной вклад в формирование ошибок измерения координат целей, а во-вторых, при разработке устройств, входящих в состав приемных каналов ППМ АФАР, возникают проблемы с обоснованием требований к уровню мощности контрольных сигналов, подаваемых на входы калибруемых приемных каналов. Дело в том, что как показано в работе [2] на примере анализа условий функционирования РЛС «АЛМА3-1А», уровень принимаемого сигнала на входе приемного канала одного ППМ АФАР лежит в диапазоне мощностей порядка 10^-19 Вт при эффективной площади рассеяния (ЭПР) цели 10 кв.м (танк, автомобиль, истребитель на стоянке). А при ЭПР цели до 4,5-10⁴ кв.м (авианосец) уровень принимаемого сигнала находится в диапазоне мощностей порядка 10^-16 Вт.Аналогичные результаты дает анализ других РЛС, приведенный, например, в [3].

Таким образом, при работе РЛС в штатном режиме рабочая точка входных усилителей приемных каналов всех ППМ АФАР лежит значительно ниже линейного участка их амплитудных характеристик, где форма нелинейного участка обычно жесткому контролю не подвергается, что и является причиной разброса амплитудно- фазовых характеристик приемных каналов ППМ АФАР, который должен быть устранен их калибровкой. Однако одиночным контрольным сигналом в данном случае не обойтись, так как отношение мощности одиночного контрольного радиоимпульса к мощности собственных шумов приемного канала калибруемого ППМ АФАР составляет величину порядка 10^-6 при минимальных ЭПР целей и порядка 10^-2 при максимальных ЭПР. Ясно, что при таком отношении сигнал-шум невозможно сформировать комплексные коэффициенты амплитудно-фазовой коррекции характеристик приемных каналов калибруемых ППМ АФАР. Поэтому при разработке устройства калибровки приемных каналов ППМ АФАР необходимо разрешить противоречие между уровнем контрольных сигналов, подаваемых на входы приемных каналов при их калибровке, который должен быть одного порядка с уровнем принимаемого сигнала на входе калибруемого приемного канала, и в то же время существенно превышать уровень собственных шумов калибруемого приемного канала, что необходимо для формирования комплексных коэффициентов, обеспечивающих коррекцию амплитудно-фазовых характеристик калибруемых приемных каналов ППМ АФАР.

Разрешение указанного противоречия предлагается осуществлять путем формирования контрольного сигнала в виде пачки из N прямоугольных когерентных радиоимпульсов на несущей частоте РЛС f₀ с длительностью зондирующего импульса РЛС τ_и, где N равно количеству ППМ АФАР, с мощностью каждого импульса, соизмеримой с мощностью принимаемого сигнала на входе каждого приемного канала, накоплением энергии пачки когерентных радиоимпульсов на выходах приемных каналов и формированием коэффициентов коррекции отклонений амплитудно-фазовых характеристик приемных каналов калибруемых ППМ от амплитудно-фазовых характеристик приемного канала опорного ППМ. Результаты проведенных операций используются для формирования равномерного исходного амплитудно-фазового распределения поля на апертуре АФАР в режиме приема отраженных от целей сигналов.

Как показывает анализ патентной информации, большинство авторов предложений по калибровке приемных каналов АФАР [5, 6] не учитывают противоречий, о которых говорилось выше, а некоторые, как автор статьи [4], с уверенностью утверждают: «Уровень калибровочного сигнала должен определяться не рабочим уровнем радиолокационного сигнала, а диапазоном линейности приемного тракта. В большинстве систем линейность нарушается только при уровнях сигнал/шум в десятки децибел, что позволяет использовать относительно мощные калибровочные сигналы».

Таким образом, приемный канал ППМ АФАР при боевой работе в штатном режиме (по целям) работает при одном уровне принимаемого сигнала на его входе, а выравнивать комплексные коэффициенты передачи приемных каналов всех ППМ АФАР путем их калибровки предлагается при другом. Авторы данной заявки считают, что такой подход не обеспечивает достоверность калибровки.

В соответствии с изложенным, цель данного изобретения состоит в обеспечении достоверности и точности калибровки приемных каналов ППМ АФАР на основе разрешения противоречия при калибровке приемных каналов ППМ АФАР между необходимостью применения контрольных сигналов, уровень которых соответствует мощности принимаемых каждым ППМ сигналов при боевой работе РЛС в штатном режиме с одной стороны и требуемым превышением мощности контрольных сигналов над уровнем внутренних шумов калибруемых приемных каналов - с другой.

Наиболее близким техническим решением, выбранным в качестве прототипа к предлагаемому устройству калибровки приемных каналов активных фазированных антенных решеток, является устройство калибровки приемных каналов приемно-передающих модулей (ППМ) многолучевой ЦАР по патенту [7], в соответствии с описанием к которому контрольный сигнал с выхода передающего канала опорного ППМ через соответствующие переключатели и другие устройства поступает на вход приемного канала опорного ППМ. Одновременно тот же контрольный сигнал поступает на вход приемного канала калибруемого ППМ. Далее по сигналам на выходах приемных каналов опорного ППМ и выбранного для калибровки ППМ определяются отклонения амплитудно-фазовых характеристик приемного канала выбранного ППМ от характеристик приемного канала опорного ППМ. На основе результатов измерений этих отклонений выполняется расчет дифференциальной разницы коэффициента передачи приемного канала выбранного ППМ от коэффициента передачи приемного канала опорного ППМ.

Для исключения влияния амплитудных и фазовых различий приемных трактов на качество цифрового формирования диаграммы направленности многолучевой ЦАР в режиме приема система коррекции (фиг. 1 описания к патенту [7]) по данным об отклонениях амплитудно-фазовых характеристик приемных каналов от расчетных значений осуществляет их коррекцию при приеме электромагнитных волн с горизонтальной и вертикальной поляризациями.

Итак, в качестве контрольного сигнала в прототипе используется сигнал с выхода передающего канала опорного ППМ. И ни слова нет об уровне этого сигнала. Можно только догадываться, что мощность этого сигнала значительно превышает мощность собственных шумов приемных каналов калибруемых ППМ, так как в противном случае невозможно было бы проводить вычислительные, а тем более измерительные операции, о которых идет речь в описании прототипа. Таким образом, недостаток прототипа состоит в том, что уровень контрольных сигналов, подаваемых на входы калибруемых приемных каналов, значительно превосходит уровень принимаемых сигналов на их входах при боевой работе РЛС по целям в штатном режиме, что, как уже отмечалось, не обеспечивает достоверность калибровки приемных каналов многолучевой ЦАР. В связи с этим цель предлагаемого технического решения состоит в обеспечении достоверности и точности калибровки приемных каналов ППМ многолучевой ЦАР на основе разрешения указанного выше противоречия путем согласования уровня подаваемых на входы приемных каналов ППМ контрольных сигналов с уровнем поступающих на их входы отраженных от целей сигналов.

Поставленная цель достигается тем, что в состав устройства калибровки приемных каналов многолучевой цифровой активной фазированной антенной решетки (ЦАР) по контрольному сигналу, передаваемому по трактам приема многолучевой ЦАР, содержащее N+1 приемно-передающих модулей (ППМ) с номерами , причем номер i=0 соответствует номеру опорного ППМ, а номера , соответствуют номерам ППМ, выбранных для калибровки приемных каналов, причем выходы всех калибруемых приемных каналов, а также выход опорного приемного канала являются выходами квадратурных аналого-цифровых преобразователей (АЦП), а также систему коррекции, систему цифрового диаграммообразования и систему синхронизации, дополнительно введен формирователь контрольных сигналов, выполненный на основе когерентного гетеродина, вход которого является входом формирователя контрольных сигналов и подключен к выходу передающего канала опорного ППМ многолучевой ЦАР, а выход подключен к первому входу амплитудного

модулятора и ко входу делителя частоты, выход которого подключен к первому входу схемы «И», второй вход которой связан с выходом триггера, первый вход которого соединен с выходом реверсивного счетчика тактовых импульсов, а второй вход триггера служит для приема команды «ПУСК» с выхода системы управления РЛС, при этом вход реверсивного счетчика подключен к первому выходу генератора тактовых импульсов, второй выход которого связан с входом генератора модулирующих импульсов, выход которого в свою очередь подключен ко второму входу амплитудного модулятора, выход которого через амплитудный ограничитель связан с выходом формирователя контрольных сигналов.

Кроме того, выход квадратурного АЦП приемного канала опорного НИМ и выходы квадратурных АЦП приемных каналов калибруемых ППМ подключены к входам накапливающих когерентных сумматоров, причем выходы последних подключены к первым входам определителей отклонения амплитудно-фазовых характеристик приемных каналов калибруемых ППМ от амплитудно-фазовых характеристик приемного канала опорного ППМ, выходы которых через систему коррекции связаны со входами коррекции приемных каналов калибруемых ППМ, а на вторые входы поступает сигнал с выхода когерентного сумматора, вход которого связан с выходом квадратурного АЦП приемного канала опорного ППМ.

Технический результат изобретения - повышение достоверности и точности калибровки приемных каналов приемно-передающих модулей многолучевой ЦАР.

Предлагаемое устройство калибровки приемных каналов приемно-передающих модулей многолучевой цифровой активной фазированной антенной решетки характеризуется следующими отличительными признаками по сравнению с прототипом:

в состав устройства калибровки приемных каналов приемно-передающих модулей введен формирователь контрольных сигналов, выполненный на основе когерентного гетеродина, вход которого является входом формирователя контрольных сигналов и подключен к выходу передающего канала опорного ППМ многолучевой ЦАР, а выход подключен к первому входу амплитудного модулятора и ко входу делителя частоты, выход которого подключен к первому входу схемы «И», второй вход которой связан с выходом триггера, первый вход которого соединен с выходом реверсивного счетчика тактовых импульсов, а второй вход триггера служит для приема команды «ПУСК» с выхода системы управления РЛС, при этом вход реверсивного счетчика подключен к первому выходу генератора тактовых импульсов, второй выход которого связан со входом генератора модулирующих импульсов, выход которого в свою очередь подключен ко второму входу амплитудного модулятора, выход которого через амплитудный ограничитель связан с выходом формирователя контрольных сигналов;

выход квадратурного АЦП приемного канала опорного ППМ и выходы квадратурных АЦП приемных каналов калибруемых ППМ подключены ко входам накапливающих когерентных сумматоров, причем выходы последних подключены к первым входам определителей отклонения амплитудно-фазовых характеристик приемных каналов калибруемых ППМ от амплитудно-фазовых характеристик приемного канала опорного ППМ, выходы которых через систему коррекции связаны со входами коррекции приемных каналов калибруемых ППМ, а на вторые входы поступает сигнал с выхода когерентного сумматора, вход которого связан с выходом квадратурного АЦП приемного канала опорного ППМ.

Сущность изобретения поясняется иллюстрациями.

На фиг. 1 представлена структурная функциональная схема ЦАР с устройством калибровки приемно-передающих модулей, которая содержит: приемно-передающие модули 1_i ЦАР с номерами , причем номер i=0 соответствует номеру опорного ППМ, а номера , соответствуют номерам ППМ, выбранных для калибровки приемных каналов; N излучателей 2_i ЦАР с номерами ; формирователь 3 контрольных сигналов; когерентных сумматоров 4_i с номерами ; N

определителей 5_i отклонения амплитудно-фазовых характеристик приемных каналов калибруемых ППМ с номерами с номерами ; система 6 коррекции, система 7 цифрового диаграммообразования и система 8 синхронизации.

На вход 9 формирователя 3 контрольных сигналов поступает сигнал с выхода передающего канала опорного ППМ 1₀ многолучевой ЦАР. На вход 11 формирователя 3 подается команда «Пуск» от системы управления РЛС.

Выход 10 формирователя 3 соединен с контрольными входами всех N ППМ 1.

На фиг. 2 представлена структурная схема формирователя контрольных сигналов устройства калибровки приемных каналов приемно-передающих модулей многолучевой ЦАР, в который входят: когерентный гетеродин 12; амплитудный модулятор 13; амплитудный ограничитель 14; генератор 15 модулирующих импульсов; делитель 16 частоты; триггер 17; схема 18 «И»; генератор 19 тактовых импульсов; реверсивный счетчик 20 тактовых импульсов.

Формирователь 3 контрольных сигналов устройства калибровки приемных каналов ППМ 1 многолучевой ЦАР работает следующим образом.

Перед началом работы из числа рабочих частот РЛС выбирается конкретное значение частоты, на которой осуществляется калибровка. Формируются требования к характеристикам контрольного сигнала:

1. Количество когерентных радиоимпульсов в пакете контрольного сигнала должно быть равно количеству ППМ ЦАР N.

2. Длительность каждого когерентного радиоимпульса контрольного пакета должна быть равна длительности зондирующего импульса РЛС, а их период повторения T_пкг определяется из условия - период повторения зондирующих сигналов импульсной РЛС, а уровень мощности соизмерим с мощностью поступающего на вход приемного канала каждого ППМ отраженного от цели сигнала при боевой работе РЛС

В память реверсивного счетчика 20 заносится значение необходимого количества N когерентных радиоимпульсов.

По команде «ПУСК» триггер 17 переходит в состояние, открывающее своим выходным сигналом схему 18 «И» по ее первому входу. С поступлением зондирующего сигнала РЛС с выхода передающего канала опорного ППМ 1₀ многолучевой ЦАР когерентный гетеродин 12 генерирует гармонический сигнал на выбранной рабочей частоте РЛС, который поступает на вход делителя 16 частоты и на первый вход амплитудного модулятора 13. Делитель 16 частоты понижает частоту поступающего на его вход с выхода когерентного гетеродина 12 гармонического сигнала до значений, при которых период колебаний равен требуемому значению периода повторения Т_пкг когерентных радиоимпульсов в составе контрольного сигнала. Эти колебания через открытую по сигналу с выхода триггера схему 18 «И» поступают на вход генератора 19 тактовых импульсов, который формирует видеоимпульсы с периодом повторения и длительностью когерентных радиоимпульсов в составе контрольного сигнала. Эти импульсы с первого выхода генератора 19 поступают на вход реверсивного счетчика 20, а со второго - на вход генератора 15 модулирующих импульсов, которые с его выхода поступают на второй вход модулятора 13. В результате совместного воздействия на входящую в состав модулятора 13 схему совпадения двух сигналов - непрерывного гармонического СВЧ-сигнала с выхода когерентного гетеродина 12 и видеоимпульсов с выхода генератора 15 модулятор 13 формирует когерентную последовательность радиоимпульсов, когерентность которых обеспечена тем, что они сформированы из того же гармонического колебания, что и тактовые импульсы. С выхода модулятора 13 сформированные таким образом радиоимпульсы через амплитудный ограничитель 14, который ограничивает их амплитуды до уровня, согласованного с уровнем принимаемых каждым ППМ 1_i, отраженных от целей сигналов.

В то же время с поступлением на вход реверсивного счетчика 20 последнего, т.е. N-го, тактового импульса счетчик 20 формирует сигнал, переводящий триггер 17 в состояние, при котором сигнал с его выхода закрывает схему 18 «И», в результате чего останавливается процесс формирования тактовых импульсов и, как следствие, заканчивается формирование контрольного сигнала, который с выхода ограничителя 14 поступает на вход приемного канала опорного ППМ 1₀ и на входы приемных каналов калибруемых ППМ 1_i

Усиленные в приемных каналах ППМ 1_i. сигналы поступают на входы когерентных накапливающих сумматоров 4_i на выходах которых в результате N-кратного последовательного когерентного суммирования входных сигналов формируются результирующие сигналы с отношением сигнал-шум в N раз превышающим соответствующее отношение на входе приемного канала каждого i-го ППМ 1 при боевой работе РЛС по целям, что позволяет скорректировать амплитудно-фазовые характеристики приемных каналов всех i-х ППМ 1 ЦАР и как следствие - обеспечить формирование равномерного исходного амплитудно-фазового распределения поля на апертуре приемной ЦАР, для чего и осуществляется ее калибровка.

Ожидаемый положительный эффект состоит в повышение достоверности и точности калибровки приемных каналов приемно-передающих модулей многолучевой ЦАР.

Источники информации

1. Шишов Ю.А., Голик А.М., Клейменов Ю.А., Бахарев В.А., Демочко СЮ. Адаптация управления ФАР по результатам встроенного контроля./ Зарубежная радиоэлектроника. - 1990. - №6. - С.69-89.

2. Патент РФ №2792222, Н01Q 21/00. Способ коррекции амплитудно-фазового распределения поля раскрываемой антенной решетки/ А.М. Голик, Ю.А. Шишов, Ю.Е. Толстуха, А.Н. Заседателев. - Заявка №2022104847; Заявлено 22.02.2022. Опубликовано 21.03.2023.

3. Нечаев Е.Е., Дерябин К.С.Современные бортовые радиолокационные станции и антенные решетки многофункциональных авиационных комплексов военного назначения / Научный вестник МГТУ ГА №221,2015 г., с. 90-105.

4. Шитиков А.М. Сравнение методов обработки сигнала при калибровке цифровых приемных ФАР// Радиотехника, 2019,- т. 83, №4 - с. 40-46.

5. Патент РФ №2467346, G01S 7/40. Способ калибровки активной фазированной антенной решетки/ В.В. Задорожный, А.Ю. Ларин, Н.Г., Марущак, О.В. Оводов. - Заявка №2011127436; Заявлено 04.07.2011. Опубликовано 20.11.2012.

6. Патент РФ №2568968, G01S 7/40. Способ встроенной калибровки активной фазированной антенной решетки/ И.Б. Базин. - Заявка №2014119740; Заявлено 16.05 2014. Опубликовано 20.11.2015.

7. Патент РФ №2699946, H01Q 21/00. Многолучевая цифровая активная фазированная антенная решетка с устройством калибровки приемопередающих модулей и способ калибровки/ Г.И. Андреев, М.Е. Замарин, В.В. Корнев, П.А. Созинов. Заявка №2019105051; Заявлено 22.02.2019. Опубликовано 11.09.2019 (прототип).

Изобретение относится к области антенной техники для калибровки приемных многолучевых цифровых активных фазированных антенных решеток (ЦАР), используемых в радиолокационных станциях (РЛС). Технический результат заключается в повышении достоверности и точности калибровки приемных каналов приемно-передающих модулей (ППМ) многолучевой ЦАР. Предложено устройство калибровки приемных каналов ППМ, в которое введен формирователь контрольных сигналов (ФКС), выполненный на основе когерентного гетеродина (КГ), вход которого подключен к выходу передающего канала опорного ППМ многолучевой ЦАР. Выход КГ подключен к первому входу амплитудного модулятора и ко входу делителя частоты, выход которого подключен к первому входу схемы «И», второй вход которой связан с выходом триггера, первый вход которого соединен с выходом реверсивного счетчика тактовых импульсов (РСТИ), а второй вход триггера служит для приема команды «Пуск» с выхода системы управления РЛС. Вход РСТИ подключен к первому выходу генератора тактовых импульсов, второй выход которого связан со входом генератора модулирующих импульсов, выход которого в свою очередь подключен ко второму входу амплитудного модулятора, выход которого через амплитудный ограничитель связан с выходом ФКС. Кроме того, выход квадратурного АЦП приемного канала опорного ППМ и выходы квадратурных АЦП приемных каналов калибруемых ППМ подключены ко входам накапливающих когерентных сумматоров, выходы которых соединены со входами определителей отклонения амплитудно-фазовых характеристик приемных каналов калибруемых ППМ от амплитудно-фазовых характеристик приемного канала опорного ППМ. Выходы определителей отклонения через систему коррекции связаны со входами коррекции приемных каналов калибруемых ППМ. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Устройство калибровки приемных каналов многолучевой цифровой антенной решетки (ЦАР) по контрольному сигналу, передаваемому по трактам приема многолучевой ЦАР, содержащее приемно-передающих модулей (ППМ) с номерами , причем номер i=0 соответствует номеру опорного ППМ, а номера соответствуют номерам ППМ, выбранных для калибровки приемных каналов, причем выходы всех калибруемых приемных каналов, а также выход опорного приемного канала являются выходами квадратурных аналого-цифровых преобразователей (АЦП), а также систему коррекции, систему цифрового диаграммообразования и систему синхронизации, отличающееся тем, что в его состав введен формирователь контрольных сигналов, выполненный на основе когерентного гетеродина, вход которого является входом формирователя контрольных сигналов и подключен к выходу передающего канала опорного ППМ многолучевой ЦАР, а выход подключен к первому входу амплитудного модулятора и ко входу делителя частоты, выход которого подключен к первому входу схемы «И», второй вход которой связан с выходом триггера, первый вход которого соединен с выходом реверсивного счетчика тактовых импульсов, а второй вход триггера служит для приема команды «ПУСК» с выхода системы управления РЛС, при этом вход реверсивного счетчика подключен к первому выходу генератора тактовых импульсов, второй выход которого связан со входом генератора модулирующих импульсов, выход которого в свою очередь подключен ко второму входу амплитудного модулятора, выход которого через амплитудный ограничитель связан с выходом формирователя контрольных сигналов.

2. Устройство калибровки по п.1, отличающееся тем, что выход квадратурного АЦП приемного канала опорного ППМ и выходы квадратурных АЦП приемных каналов калибруемых ППМ подключены ко входам накапливающих когерентных сумматоров, причем выходы последних подключены к первым входам определителей отклонения амплитудно-фазовых характеристик приемных каналов калибруемых ППМ от амплитудно-фазовых характеристик приемного канала опорного ППМ, выходы которых через систему коррекции связаны со входами коррекции приемных каналов калибруемых ППМ, а на вторые входы поступает сигнал с выхода когерентного сумматора, вход которого связан с выходом квадратурного АЦП приемного канала опорного ППМ.