Способ изменения амплитудно-фазового распределения поля фазированной антенной решетки Советский патент 1993 года по МПК G01R29/10 

Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано при определении характеристик излучения и настройке фазированных антенных решеток (ФАР).

Известен способ определения амплитудно-фазового распределения (АФР) антенной решетки, основанный на облучении ФАР, состоящей из N излучателей, посредством вынесенного зонда, измерения амплитуды суммарного сигнала ФАР (А 2)0)) при изменении фазовых состояний фазовраща- телей решетки и определении АФР.

Однако при этом способе с ростом числа элементов в решетке возникают два противоречивых требования к начальному фазовому распределению решетки. С целью

повышения точности определения амплитуд возбуждения каждого излучателя ФАР необходимо стремиться к увеличению глубины модуляции суммарного сигнала при изменении фазы в одном излучателе, для чего проводится предварительная расфази- ровка ФАР в направлении измерительного зонда, причем алгоритм расфазировки в работе не списан. С другой стороны, для повышения точности определения фазы излучателей посредством предложенного в работе аналитического выражения, рекомендуется как можно в большей степени увеличивать поле, создаваемое исследуемой ФАР в месте расположения зонда. В случае измерения параметров ФАР с чисХ{00

ON 4 СЛ

ю

делающих мощность на выходе ФАР при q 0.

Устройство измерения АФР содержит генератор 1, соединенный с вынесенным зондом 2, излучатели ФАР 3 с фазовращате- лями 4, распределительную систему 5, вы- ход которой подключен к измерительной аппаратуре, состоящую из измерителя 6 мощности, цифровой ЭВМ 7 и блока 8 управления.

Устройство измерения АФР поля ФАР работает следующим образом.

Вынесенный в зону Френеля зонд 1 возбуждается генератором 1 и облучает излучатели 3.

Без ограничения общности, предполо- жим, что амплитуда каждого излучателя рав- на А. Тогда, при произвольном фазировании ФАР, мощность на выходе из-- мерителя мощности 6, характеризующая суммарный сигнал ФАР пропорциональна выражению

P(l)

§ A2ej(«n-am)(

п 1 т - 1

где «п - фаза n-го излучателя с учетом электрической длины от излучателя до зонда;

I характеризует е-е фазирование ФАР. Для решения задачи заявляемого способа, надо предварительно найти аналитическую связь между суммарным сигналом ФАР и амплитудой возбуждения одного излучателя А. Такая связь может быть найде- на с помощью статистической обработки суммарного сигнала ФАР,.

Наиболее просто такая обработка осуществляется при фазировании излучателей по случайному равномерно распределенно- му закону. Положим, что фаза каждого излу- чателя равномерно распределена на сегменте -А; А и определим математическое ожидание мощности (1)

Р Ј Ј .: С2)

гягг . . . .

Математическое ожидание каждого члена суммы (2) зависит от комбинации индексов (т, П). При Совпадении ИНДеКСОВ

математическое ожидание такой составляющей суммы равно А, а их общее число равно N. Тогда из (2) имеем, .

N N

M( Ј lfc« AdJi€W VO.

m-i ia. -д ia

(3)

Проведя интегрирование в правой части (3) получаем

Л2,

sin A

Р A-4N + N(N - 1Х Г).

(4)

Для упрощения выражения (4) потребуем выполнения следующего тождества:

N(N- 1)(sin Л/А )2 0.

(5)

Тождество (5) можно обеспечить, например, при А п . Отсюда видно, что в предлагаемом способе целесообразно фазу каждого излучателя ФАР выставлять по случайному закону равномерно распределенному в пределах -л;я ,

В этом случае равенство (4) принимает наиболее простой вид..

.

(6)

15 20

25

ggос

Поясним возможность заявленного технического решения для ФАР с дискретными фазовращателями. Здесь определяются фазы излучателей по случайному закону, равномерно распределённому на сегменте. - с последующим округлением до ближайшего значения соответствующей дискретной фазы.

Определим математическое ожидание мощности 0)

P JZAV ,

П 1 IT7--T

(7)

где 1рп - случайная фаза n-го излучателя на дискретном множестве.

Математическое ожидание каждого члена суммы (7) зависит от комбинации индексов (т, п). При совпадении индексов (т п), как и в предыдущем случае с непрерывным фазированием, математическое ожидание такой частной суммы равно NA2.

Т.к. математическое ожидание от суммы равно сумме математических ожиданий каждого слагаемого/рассмотрим математическое ожидание одного из слагаемых при m п. Вероятность каждого дискретного состояния фазовращателя равна 1/М, где М - число дискретных состояний, причем ДФ 2 п /М, где Аф - дискрет фазовращателя.

Тогда математическое ожидание каждого члена суммы при m Ј п будет равно .

А му1екДф м ле

На практике М 2 и, следовательно,

71786452 8

чателя ФАР и суммарным сигналом исследу- Mv1 itAtbемой ФАР.

2,1 е 0, тогда и Выбор соотношения Т поясним на кон- кретнрм примере реализации алгоритма изNмерения АФР поля ФАР. ; у V А 2 е/(Vn -tym) о Мощность, создаваемая на выходе ФАР -г при рёлучении ее зондом, пропорциональна

выражению

;Otc« a C7)HMeeM -:; R e ,Ч , (12) Р А2М. (8) 10

Щк видно из выражений (6) и (8), мате- гДе 1маггияШШе ожидания мощности при слу-V А/

.- . - -.: - I -f;: . -. - Ч- .- .-- .- : . - J Ту --. . J.{ J, Л %J.)

чайнб;М фазирбванйй с дискретными и. пе - te ..

-. фвзо р& геп.ям с в ала- 1

Ъ+. .: . .:. ;-.-.. .

Из (6) или (8) получаем /:, т- модуль и фаза комплексного

; ; :.У;:-:. -S : ;-: ; у..:::Г. . у.Д;.... ЧИСЛЭ В Правой ЧИСТИ (13);

: ;A Vf/lNr :С-::;;-;v ::;: :-;:v -. ;: ..-ч- -: .iV ;. . : ..: ... - - :-;v:7;:-ck;v::;:...:;V-. -.V- C-:;--:-. 20 + KFU +бп.;

;-. Йа/Ща ик ; вместе м ;а)мйти с1срг0 .::- - : - : ;у х ;л---.: :- -:- у: ;ЙМйд;||Ш йгсНользуют эмпирическое ёрёд- , « п - начальное дискретное значение

wee, tofopde для амплитуды суммарного фазы фазовращателя; ; сйги а лй Швно v -:5-:.: -,;.; ,Ф,.-- -..-,. ; :д п - неизвестная фаза n-го йзлучате---..--.........-: ..,-... . . ОС - -

.::-v, /.: : г, L --- - ,:...:. : :. w. :

УР-АЛО /ЯТГТ /. А СЈ) (ШRri- расстояние от зонда до n-го излуча;.;;::-.:.:;;л;:;..: -v:; . ....., :,,. .:....;, : .. : ;:T fl: -.:-v:, . - .. - . ;

:;х-; -:,::-. .:- - :,:V:. -: --:;:-v-t:---:;v/ ; . . 5 гШгрё шнрсть измерения мощно- э пйЩч ё кй сред Н „п стй; :..;: ;-::о :-;,. v. .: :;: е ,-; ; 3- ; At амплитуда n-го излучателя;

) Т1()1й}гудаt суммарнсгго сигнала ... . . гг / я; vvv : , ; ФАР при 1-м азйрбв .. . . ,. . ... Т ; : :,Г : ШдШгвляя выражение в1пра&ой части Зёдачй определения АФР сводится к ( вЩ-ймвей :::- Л4:; :ЫЙ -- --: «-, „ нахождению (5Л и Апдля любогопе 1; N. ; -. : . :/: - :; -1; / :0 - ;Г: -- : ;Ь : л ...-. : ... раскроем модуль в(12) ,-

: АГ« (L V$f.H 1 : (11) Pq - Тп + Ап + STnAndos

,:; :;;1;Щ;:, . Ґт + Д:Ф + б А .. - ...

ШймЪё 0мгн йдейр;приблщё ннье 40 11рЬизврдя пёрёклк)Чёниё фазовр ща- ;а а 1Шчее;крё вйрЩ:н 1е:рвяз между эм- млдйту ; v ; гр |Шал| ФАР и п итудой возбу деййй АЙпррйсймйруём последовательность Шногб ушлучателй, чтр rtps/sprtftef, проведя трйгойометрйческой функцией k )нйй, Определи-г), усредненйую ам- 45/; ;, : -;

К ёо збу дён Pqfea + bcos( Ф+q Д ), (15)

Т.к; прЩеер измерений з кл чаетгря в мно-.. :-.-.,:. - . -.-,...;.

; r pgfwoM (С-раз) пёрёфа;|11рован; и всехяз-где и - Оценка угла - -0т :

; лучателей ФАР; гш случаййрму закону,, / Г

й йерёний rtn Htyflbi суммарного Сигнала5& Vtn2 +A. b 2tnAn

ни върсодё ctiAl5, причем, х помощью ЭШЙМожно показать, в сдответствии с мвто;запр«ина1рт выставлйейьте положения фа-до шй ёньшйх квадратов, что для на ожзоеращатёлей (фазРвое распределениедения л достаточно воспользовался

Ц (1)) для каждого 1-го фазиррвания. Далее решением задачи о нахождении минимума

выбирают фазовое распределение V 0).&5 следующего функционала:

прйкоторрм реализуется оптимальное сорт- г

ношение (Т) между амплитудой одного излу-Н У (Pq - cos( + q А ф ))2 ; . -.: .: -:-- -..-- : : : .. . .... :-(3.-о , ;

91786452 10

Дифференцируя Н по р и приравнивая не удается из-за аварийных ситуаций, когда производную к нулю, получаемАп 0.

Из (20) находим м - 1

2 (Pq-cos( АФ ))sin( Аф ) 5fn ( а+b + (21) ,

° .Ап (/аТь-/а Чэ)/2, (22)

Таким образом оценка амплитуды воз- Т.к. М , то одна из частных сумм 10 буждения п-го излучателя найдена.

Ф- Так как фазовое распределение ФАР

в (16) будетдостаточно определить относительно .- извольнрго вектора, то в качестве опорного

MV 1 i i, А 11 л пвектора используем суммарный сигнал реJoCos(V + q д ф )«infy + q д ф ) - 0.15 шетки д ( при yq 0 фигЈ в этом случмае

,17чоценку для неизвестной фазы ( 5П) п-го

Изобретение относится к технике антенных измерений и может быть использовано для определения амплитудно-фазового распределения (АФР) фазированной антенной 2 решетки (ФАР) при ее настройке и испытз ниях. Цель изобретения - повышение точности и упрощение способа. Указанная цель достигается тем, что излучают сигнал из точки излучения в зоне Фрекеля исследуемой ФАР, прием ею сигнала, измерение амплитуды принятого сигнала, L-кратную установку фазы принятого сигнала в канале каждого излучателя исследуемой ФАР по случайному закону, равномерно распределенному в пределах - л.,л , выбор фазового распределения при выполнении приведенного условия, поочередное изменение фазы в канале каждого излучателя исследуемой ФАР, измерение амплитуды принятого сигнала при каждом значении фазы и определение АФР по результатам измерений. Цель изобретения достигается за счет указанного поиска фазового распределения. 2 ил. СЛ

Тогда из (16) имеемл- -.тш /г г

c ATAN(A.nsittTy,Tr1- Ancos4 J- /n-KRfI, м-1 м--г20 -/4TAN(i: P-cPsW,f23)

7 o 7 o i ,где; 5n«5n .

где ATAN (у, x) - операция определения фа-т-е- найдена и оценка неизвестной фазы

зы комплексного числа х +jy.

. При известной оценке р перейдем в25 Итак- Для однозначного определения

(15) к определению констант а, Ь.Афр поля ФАР требуется выполнения услоФункционал запишем в видевия Тп Ап Аля любых, n e 1; N. В случае

равнбамплитудной решетки для этого до- м- 1 . .:статочно потребовать Н E (Pq-a-bcos( V+qAф ))2.30

-А)2А- ..(24)

Используя метод наименьших квадра-тогда всегда выпойняётся условйе Тп А.

тов, аналогично предыдущему находимПредположим теперь, что разброс в ам35плитудах излучателей составляет +10 дБ

м-1(включает практически все реальные ситуаа 2, Pq/M;Ции)

- - .-. ..:.::..-- -..:. - Л : .-.. ..;.

А/3 An ЗА,

м - 1. М 1 40

b gS0 PqCOS( +чАФ ))/J.тогда условие Tn An реализуется при cos2( +q Аф). (19) A5:(()S6A,

Взаимное расположение векторов, оп- 4е

ределяющих мощность на выходе ФАР приОднако, увеличение суммарного сигнаq 0, показано на фиг.2.ла А2(1) при измерении амплитуды посрёдКак следует из (14), (15) оценкой модулей ством приёмника с погрешностью

векторов Tn, An является д приводит к возрастанию погрешности

ч. 50 определения АФР из-за уменьшения вариаа Тп2 + Ап2;цйи последовательности Pq (см. (14)).

.„ . ыПоэтому целесообразно ограничить ) b 2TnAn. (20) сверху, например, потребовав выполнение „ неравенств 6А AS () 7А. гдеТп Тп; Ап « Ал. 55 Поэтому в зависимости от априорного Для однозначного решения системы не- знания амплитудного распределения выбор линейных уравнений (20) необходимо апри- начального фазового распределения орное знание соотношения амплитуд осуществляют при выполнении условия An. Для потребуем Дп Тп, 0)/А ,10, т.к. условие An Тп на практике выполнить

1

-i

W А2 ( А2(0)

- v |ч | 1

Упрощение способа в предлагаемом техническом решении достигается за счет применения только амплитудных измерений сигнала на выходе ФАР, что не требует, по сравнению с прототипом, использования фазометров, которые для многих частртных диапазонов, например, для субмиллиметровых длин воли не выпускаются промышленностью. ..: : ;; ............

Повышение точности способа достигается при размещении зонда на измерительной вышке, у которой из-за метеорологических условий происходит перемещения зонда.. . . ... ... ..

В случае использования прототипа, смещение зонда на величину а ортогонально апертуре ФАР приводит к фазовой ошибке в определении АФР, равной Ка,

Например, для Л 1 см и при смещении зонда на 1 см ошибка составит 360°, что совершенно не допустимо, ; . ,/,,.;: ;;.., .

В предлагаемом способе определяется не абсолютное(Значение фазы каждого п-го излучателя, а разность фаз между опорным вектором А 2 О) и вектором, характеризующим возбуждение п-rQ излучателя.

Без ограничений общности, предположим, что фаза А2 (I).совпадает с излучателем; расположенным в центре ФАР. Тогда изменение разности фаз д н при смещении зонда параллельно плоскости ФАР с точностью до линейных членов разложения Маклорёна составит .. .

6 ц Kad/L,

(25) 40

где L - расстояние между несмещенным зондом и центром ФАР; :/.

d - расстояние между центром ФАР и измеряемым излучателем;

а - смещение зонда. ...... : При ортогональной смещении зонда

ошибка ( д J-) в определений фазы равна

д UKd2a/(2L(L + a)).

(26)

Т.к. на практике нетрудно реализовать условия a; d « L, то из (25), (26) следует 55

5

0

5

0

0

. 3| «бц .

Рассмотрим решетку с раскрывом 10 м, Д-.1 см. Условие дальней зоны 1.0 м. Рассмотрим случай, когда зонд размещен в зоне Френеля на расстоянии l 2 103м, т.е. на порядок ближе, чем в прототипе, тогда максимальная ошибка в определении фазы излучателя при а 1 см составит д - 1°, в то время как в прототипе эта ошибка составляет 360°. К аналогичному эффекту при- йодит нестабильность частоты генератора, обеспечивающего возбуждения зонда и опорного канала фазометра по волноводно- му тракту.

Формула изобретения Способ измерения амплитудно-фазового распределения поля фазированной антенной решетки, включающий излучение Сигнала, прием его исследуемой ФАР, предварительную установку фазы принятого сиг- нала в- канале каждого излучателя исследуемой ФАР, поочередное изменение фазы в канале каждого излучателя исследуемой ФАР, измерение амплитуды принятого сигнала при каждом значении фазы и определение амплитудно-фазового распределения по результатам измерений, отличающий с я тем, что, с целью повышения точности, сигнал излучают из зоны Френеля исследуемой ФАР, а предварительную установкуфазй принятого сигнала в канале каждого излучателя исследуемой ФАР осуществляют путем L-кратной установки фазы принятого сигнала в канале каждого излучателя исследуемой ФАР по случайному закону, равномерно распределенному в пределах -п,п .одновременно во всех каналах и в каждом канале независимо от других каналов, измерения амплитуды принятого исследуемой ФАР сигнала А 2 О) при кйждой установке фазы, а выбор фаз (р п (I) осуществляют п ри выполнении условия

0

5

5

А 2)/( ШГ,, А20В 2-10-;

50 где L -1 - число изменений фазы;

N - число излучателей исследуемой ФАР;

1 « I L