СПОСОБ КАЛИБРОВКИ ФАЗИРОВАННОЙ АНТЕННОЙ РЕШЕТКИ В БЛИЖНЕЙ ЗОНЕ Российский патент 2024 года по МПК G01S7/40 G01R29/10 H01Q21/00 

Изобретение относится к антенной технике, в частности к технике измерений параметров многоэлементных фазированных антенных решеток (ФАР) в ближней зоне, и может применяться для их калибровки в процессе разработки, настройки и эксплуатации.

Известен способ итерационной калибровки ФАР (см. Fakharzadeh М., Jamali S.H. et al. A Fast Calibration Algorithm for Phased Array Antennas Based on a Modified Perturbation Method // IEEE Antennas and Propagation Society International Symposium. 2006. P. 3343-3346) на основе бесфазовой поканальной максимизации сигнала путем переключения фазовращателей каждого канала ФАР во все возможные состояния при фиксированных состояниях всех остальных фазовращателей. В процессе калибровки выбирают и фиксируют то состояние фазовращателя, в котором измеряемая амплитуда сигнала ФАР была максимальной.

При относительной простоте реализации и возможности калибровки только за счет амплитудных измерений, недостатком данного способа является невозможность его применения для многоэлементных ФАР, поскольку на фоне суммарного сигнала апертуры изменение амплитуды одного канала будет незаметно.

Указанные недостатки устранены в способе калибровки ФАР (патент №2797790 C1 (RU), опубл. 08.06.2023, бюл. №16), позволяющем повысить точность определения амплитуд и фаз возбуждения излучателей, при частичном или полном отказе устройства управления амплитудой излучателей тестируемой многоэлементной ФАР. 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.

Недостатками такого способа являются увеличение временных затрат и стоимости калибровки ввиду необходимости изготовления и испытаний ФАР, полностью совпадающей с тестируемой, а также необходимость проведения измерений калиброванной и тестируемой ФАР в одинаковых условиях, что на практике проблематично из-за влияния неидентичности их размещения на месте измерений и допусков изготовления, особенно на частотах сантиметрового диапазона и выше.

Наиболее близким по сущности является способ калибровки ФАР (см. Lee K.М., Chu R.S., Liu S.C. A Built-in Performance-Monitoring/Fault Isolation and Correction (PM/FIC) System for Active Phased-Array Antennas // IEEE Transactions on Antennas and Propagation, Vol. 41. №11. 1993. P. 1530-1540.), выделенный в качестве прототипа заявляемого изобретения. Калибровка производится методом 180-градусной манипуляции фазой элемента, что позволяет выделить сигнал одного канала на фоне суммарного сигнала апертуры, в том числе в ближней зоне, а также в случаях, когда отключение каналов ФАР невозможно. При измерениях на вход ФАР, состоящей из N элементов, поступает импульсный сигнал, возбуждающий излучатели антенного полотна, а состояние фазовращателя в тестируемом канале переключается на 180° синхронно с каждым четным импульсом. Состояния остальных N-1 фазовращателей при этом не меняются. В каждом такте осуществляется излучение и прием сигнала от излучателя тестируемого канала ФАР с последующими измерениями и регистрацией амплитуды и фазы суммарного сигнала, после чего производится математическая обработка данных измерений, при которой суммарный сигнал четного такта вычитается из нечетного. Результат, полученный после вычитания, будет равен удвоенному комплексному коэффициенту передачи тестируемого канала ФАР.

Однако недостатком данного решения является невозможность применения типовой процедуры амплитудно-фазовых измерений в ближней зоне на автоматизированных измерительно-вычислительных комплексах, предназначенных для измерения радиотехнических характеристик антенн, без трудоемких доработок используемого измерительного оборудования и программного обеспечения, либо существенного увеличения временных затрат на калибровку.

Задача, на решение которой направлено настоящее изобретение, заключается в снижении временных затрат на калибровку и возможности применения типовой процедуры амплитудно-фазовых измерений в ближней зоне без необходимости доработок используемого измерительного оборудования и программного обеспечения.

Поставленная задача решена за счет того, что калибровка ФАР осуществляется путем разделения антенного полотна с большим числом N элементов на подрешетки с меньшим числом М элементов, в тестируемом канале каждой из которых производится переключение состояния фазовращателя на 180° с последующей регистрацией амплитуды и фазы поля излучения в ближней зоне и математической обработкой данных Q измерений. При этом в процессе регистрации амплитудно-фазового распределения поля излучения в ближней зоне отключение каналов ФАР не производится.

Сущность предлагаемого изобретения поясняется при помощи графического материала, представленного на фиг. 1-5.

На фиг. 1 показаны сигналы ФАР, определяемые в процессе калибровки. В каждой из подрешеток антенного полотна производится измерение двух суммарных сигналов E₁ и Е₂:

где Е - сигнал тестируемого канала подрешетки, в котором установлено исходное состояние фазовращателя, например, 0°, -Е - сигнал тестируемого канала подрешетки, в котором установлено состояние фазовращателя, отличающееся от исходного на 180°, E_s - суммарный сигнал от всех остальных каналов подрешетки.

При этом удвоенный сигнал тестируемого канала 2Е может быть представлен в виде разности измеренных суммарных сигналов E₁ и Е₂. Соответственно, искомый сигнал:

На фиг. 2 показаны состояния фазовращателей каналов ФАР (в радианах) для антенного полотна с четным числом строк R, четным числом столбцов С и общим числом элементов N=R⋅C. При этом антенное полотно разделено на подрешетки, в центральном элементе каждой из которых (тестируемом канале) производится переключение состояния фазовращателя на 180°. Одна из подрешеток с тестируемым центральным каналом условно выделена серым цветом на фиг. 2б и фиг. 2д, число элементов в подрешетке М=9. Такое разделение позволяет определить сигналы каждого из каналов ФАР путем пяти типовых амплитудно-фазовых измерений в ближней зоне, что является минимально возможным количеством измерений Q, обеспечивающим приемлемую точность калибровки при использовании предлагаемого способа. На фиг. 3 также показаны состояния фазовращателей каналов ФАР для антенного полотна с нечетным числом строк R, нечетным числом столбцов С и общим числом элементов N=R⋅C. Одна из подрешеток с тестируемым центральным каналом условно выделена серым цветом на фиг. 3г и фиг. 3д.

На первом этапе калибровки фазовращатели каналов ФАР устанавливаются в состояния согласно фиг. 2а, фиг. 3а в соответствии с формулой (4):

где C1_m,n - состояния фазовращателей каналов ФАР в радианах, нормированные к исходным состояниям; m=1, 2, … R - номера строк антенного полотна; n=1, 2, … C - номера столбцов антенного полотна; S1_2⋅k-1=(-1)^k - множитель нечетных строк антенного полотна (для четных строк множитель S1_m=0); k=1, 2, … 1+R/2, при нечетном числе строк значение R/2 округляется в меньшую сторону до целого числа. Далее выполняется типовая процедура амплитудно-фазовых измерений в ближней зоне с регистрацией амплитуд α1_m,n и фаз ϕ1_m,n около каждого из элементов антенного полотна.

На втором этапе калибровки фазовращатели каналов ФАР устанавливаются в состояния согласно фиг. 2б, фиг. 3б в соответствии с формулой (5):

где C2_m,n - состояния фазовращателей каналов ФАР в радианах, нормированные к исходным состояниям. Далее выполняется типовая процедура амплитудно-фазовых измерений в ближней зоне с регистрацией амплитуд α2_m,n и фаз ϕ2_m,n около каждого из элементов антенного полотна.

На третьем этапе калибровки фазовращатели каналов ФАР устанавливаются в состояния согласно фиг. 2в, фиг. 3в в соответствии с формулой (6):

где C3_m,n - состояния фазовращателей каналов ФАР в радианах, нормированные к исходным состояниям; S2_2⋅k=(-1)^k - множитель четных строк антенного полотна (для нечетных строк множитель S2_m=0). Далее выполняется типовая процедура амплитудно-фазовых измерений в ближней зоне с регистрацией амплитуд α3_m,n и фаз ϕ3_m,n около каждого из элементов антенного полотна.

На четвертом этапе калибровки фазовращатели каналов ФАР устанавливаются в состояния согласно фиг. 2г, фиг. 3г в соответствии с формулой (7):

где C4_m,n - состояния фазовращателей каналов ФАР в радианах, нормированные к исходным состояниям. Далее выполняется типовая процедура амплитудно-фазовых измерений в ближней зоне с регистрацией амплитуд α4_m,n и фаз ϕ4_m,n около каждого из элементов антенного полотна.

На заключительном этапе калибровки все фазовращатели каналов ФАР устанавливаются в исходные состояния, нормированные значения которых показаны на фиг. 2д, фиг. 3д, и затем также выполняется типовая процедура амплитудно-фазовых измерений в ближней зоне с регистрацией амплитуд α0_m,n и фаз ϕ0_m,n около каждого из элементов антенного полотна.

Математической обработка данных измерений производится в соответствии с выражениями (8-9):

где α0_m,n, α1_m,n, α2_m,n, α3_m,n, α4_m,n - амплитуды в В/м, ϕ0_m,n, ϕ1_m,n, ϕ2_m,n, ϕ3_m,n, ϕ4_m,n, - фазы в радианах, зарегистрированные по результатам амплитудно-фазовых измерений в ближней зоне, j - мнимая единица; C1_m,n, C2_m,n, C3_m,n, C4_m,n - состояния фазовращателей каналов ФАР, установленные в соответствии с формулами (4-7).

Результатом калибровки является фаза коэффициента передачи тестируемого канала ФАР, которая определяется по формуле (10):

Следует отметить, что при дальнейшем увеличении числа элементов М подрешетки, точность определения коэффициента передачи тестируемого канала ФАР будет приближаться к точности метода 180-градусной манипуляции фазой элемента, однако временные затраты на калибровку будут также увеличиваться. Например, при числе элементов М=25 (подрешетка 5×5 элементов с тестируемым центральным каналом) количество измерений составит Q=10.

На фиг. 4 представлена функциональная схема регистрации амплитудно-фазового распределения поля излучения в ближней зоне ФАР, где введены следующие обозначения: 1 - калибруемая ФАР, включающая излучатели, диаграммообразующую схему, модуль управления фазовращателями, модуль питания, 2 - измерительная антенна-зонд, 3 - механический планарный сканер с устройством для крепления антенны-зонда (2), 4 - опорно-поворотное устройство (ОПУ), 5 - векторный анализатор цепей, 6 - устройство управления сканером, 7 - персональный компьютер (ПК), 8 - устройство управления ОПУ, 9 - пульт дистанционного управления (ДУ). Позиции (8) и (9) используются для пространственного позиционирования калибруемой ФАР (1) и ручного управления сканером (3) на этапе подготовки к измерениям. Регистрация амплитудно-фазового распределения производится на расстоянии Z > λ/4 (где λ - длина волны) между измерительной антенной-зондом (2) и плоскостью антенного полотна калибруемой ФАР в N точках (где N=R⋅C), расположенных в узлах прямоугольной сетки с шагом, совпадающим с шагом излучателей ФАР (показаны точками на фиг. 4) по осям X и Y. При измерениях на вход "Р" ФАР подается электропитание от внешнего источника, на вход "C/S" поступают сигналы управления и контроля состояния ФАР.

На фиг. 5 приведены сравнительные результаты для различных способов калибровки 352-элементной ФАР S-диапазона, включающей 22 строки и 16 столбцов излучателей. На фиг. 5а представлены главные сечения нормированных диаграмм направленности ФАР в горизонтальной плоскости, на фиг. 5б - в вертикальной плоскости. Пунктирные линии на фиг. 5 соответствуют результатам, полученным при итерационной калибровке методом бесфазовой поканальной максимизации сигнала, штрихпунктирные линии - результатам калибровки методом 180-градусной манипуляции фазой элемента, сплошные линии - результатам калибровки ФАР в ближней зоне предлагаемым способом. Сбор и обработка данных, регистрация результатов измерений, их визуализация и каталогизация в процессе калибровки и диаграммных измерений ФАР проведены на частоте 3 ГГц с применением штатных измерительных средств и программного обеспечения, работающих под управлением операционной системы автоматизированного измерительно-вычислительного комплекса ТМСА 1.0-40.0 Б 056. Время на калибровку ФАР в ближней зоне методом 180-градусной манипуляции фазой элемента составило 3 часа 20 минут. Временные затраты на калибровку ФАР в ближней зоне предлагаемым способом составляют 50 минут.

Таким образом, техническим результатом, достигаемым при реализации предлагаемого способа калибровки ФАР по данным измерений в ближней зоне в безэховой камере, является снижение временных затрат на калибровку и возможность применения типовой процедуры амплитудно-фазовых измерений без необходимости доработок используемого измерительного оборудования и программного обеспечения. При этом получаемые результаты хорошо согласуются с результатами калибровки методом 180-градусной манипуляции фазой элемента, что подтверждает возможность практической реализации предлагаемого изобретения.

На предприятии-заявителе разработаны и внедрены в серийное производство инструкции по настройке 352-элементной и 1280-элементной фазированных антенных решеток S-диапазона с применением калибровки в ближней зоне заявленным способом.

Изобретение относится к антенной технике, в частности к технике измерений параметров многоэлементных фазированных антенных решеток (ФАР) в ближней зоне, и может применяться для их калибровки в процессе разработки, настройки и эксплуатации. Технический результат заключается в снижении временных затрат на калибровку и возможности применения типовой процедуры амплитудно-фазовых измерений в ближней зоне без необходимости доработок используемого измерительного оборудования и программного обеспечения. Результат достигается тем, что калибровка ФАР осуществляется путем разделения антенного полотна с большим числом N элементов на подрешетки с меньшим числом М элементов, в тестируемом канале каждой из которых производится переключение состояния фазовращателя на 180° с последующей регистрацией амплитуды и фазы поля излучения в ближней зоне и математической обработкой данных измерений. При этом в процессе регистрации амплитудно-фазового распределения поля излучения в ближней зоне отключение каналов ФАР не производится. 1 з.п. ф-лы, 14 ил.

1. Способ калибровки фазированной антенной решетки (ФАР) в ближней зоне, при котором на вход ФАР, состоящей из N элементов, поступает сигнал, возбуждающий излучатели антенного полотна, с последующими излучением и приемом сигналов от каждого излучателя, измерениями и регистрацией амплитуд и фаз суммарных сигналов и математической обработкой данных измерений, отличающийся тем, что калибровка ФАР производится путем Q амплитудно-фазовых измерений в ближней зоне в N точках, расположенных напротив излучателей на расстоянии, большем четверти длины волны между антенной-зондом и плоскостью антенного полотна в узлах прямоугольной сетки, шаг которой совпадает с шагом излучателей, при этом антенное полотно ФАР разделено на подрешетки с числом элементов М<N, а состояния фазовращателей в тестируемых каналах подрешеток переключаются на 180° перед началом каждого из Q измерений.

2. Способ калибровки фазированной антенной решетки в ближней зоне по п. 1, отличающийся тем, что число элементов подрешетки М=9, а число типовых амплитудно-фазовых измерений Q=5.