Способ изменения амплитудно-фазового распределения поля фазированной антенной решетки

 

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

нс> м . г» За.

fi" > + 4 М4, <,>, > I>I,:

< (Ч!>1)Ч>i:,l>Г I гы

lIl., >, l. I!,>l

д г- 01 г> 2 )/10

ГГ)СУДАРСТ():l ill()F П/\1(>Н П !г)!

Г!ВЕДОМСТВО ССС! (ГОСПАТЕ НТ ССС!т)

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

»

I»

I» » (21) 4848940/09 (22) 09.07.90 (46) 07.01.93. Бюл. № 1 (71) Научно-исследовательский институт радиофизики им. акад. А.A.Расплетина (72) А.Г.Антипин, Д.С.Кувшинов, Д.В.Меркулов, !О.Н.Серяков и А.А.Толкачев (56) 1. Леманский А.А. и др. Восстановление распределения поля в раскрыве решетки модуляционным способом.— Радиотехника и электроника, т. ХХ!, 1976, ¹г 3, с. 617 — 620, 2. Авторское свидетельство СССР

¹ 1239644, кл. G 01 R 29/10, 1984, (54) СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ АМПЛИТУДНОФАЗОВОГО РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ПОЛЯ ФАЗИРОВАННОЙ АНТЕННОЙ РЕШЕТКИ (57) Изобретение относится к технике антенных измерений и может быть использовано для определения амплитудно-фазового распределения (АФР) фазированной антенной

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; -(!)) при изменении фазовых состояний фазовращателей 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

„., 5U „„! 786452 А) решетки (ФАР) при ее настройке и испыта ниях. Цель изобретения — повышение точнос)и и упрощение способа. Указанная цель достигается тем, что излучают сигнал из точки излучения в зоне Фре>геля исследуемой

ФАР, прием ею сигнала, измерение амплитуды принятого сигнала,! -кратную установку фазы принятого сигнала в канале каждого излучателя исследуемой ФАР по случайному закону, равномерно распределенному в пределах (— л,.>г), выбор 4>азового 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.

-й повышения точности определения амплитуд возбуждения каждого излучателя ФАР необходимо стремиться к увеличению глубины модуляции суммарного сигнала при + ь изменении фазы в одном излучателе, для чего проводится предварительная расфази- ЬЭ ровка ФАР в направлении измерительного зонда. оринам алгоритм расфазироаки а 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 располо>кения зонда. В случае измерения параметров ФАР с чис1788452

25

50

55 лом излучателей более 100 зти два требования не удается обеспечить одновременно, а следовательно, и реализовать удовлетворительную для практики точность измерения

АФP.

Наиболее близким техническим решением к изобретению, выбранным в качестве прототипа, является способ измерения

АФР— поля фазированной антенной решетки, включающий излучение сигнала из точки излучения, прием исследуемой ФАР сигнала, измерение амплитуды принятого ФАР сигнала, установку фазового распределения на элементах ФАР, соответствующего заданному значению амплитуды принятого

ФАР сигнала, поочередное изменение фазы в канале каждого излучателя исследуемой

ФАР, измерение амплитуды принятого сигнала на выходе исследуемой ФАР для каждого значения фазы принятого сигнала в канале каждого излучателя исследуемой

ФАР и определение амплитудно-фазового распределения по результатам измерений (2).

Однако в этом способе измерительный зонд размещается в дальней зоне исследуемой ФАР, что для крупноапертурных антенных решеток приводит к необходимости обеспечения значительного расстояния между зондом и ФАР, т.к. размер дальней зоны (Вд определяется выражением

Rä 2D /Л, где 0 — максимальный размер апертуры ФАР; А — длина волны.

Для обеспечения измерений фазы сигнала на выходе ФАР требуется прокладка протяженного тракта от вынесенного зонда до фазометра для возбуждения опорного качала фазометра, что приводит к необходимости использования вь сокостабильного генератора и стабилизации электрической длины волноводного тракта. При выполнении условия дальней зоны в присутствии земли, для уменьшения отражений от поверхности земли, необходимо размещать облучающий зонд на измерительной вышке, что затрудняет обеспечение неподвижности вспомогательной антенны, а это может существенно отразиться на точности определения фазы суммарного сигнала ФАР, что во многих случаях, особенно в миллиметровом диапазоне длин волн, не позволяет реализовать удовлетворительную для практики антенн точность измерения АФР, Целью изобретения является повышение точности и упрощения способа.

Поставленная цель достигается тем, что в способе измерения АФР— антенной решетки, включающем излучение сигнала из точки излучения, прием исследуемой ФАР сигнала, измерение амплитуды принятого

ФАР сигнала, установку фазового распределения на элементах ФАР, соответствующую заданному значению амплитуды принятого

ФАР сигнала, поочередное изменение фазы в начале каждого излучателя исследуемой

ФАР, измерения амплитуды принятого сигнала на выходе исследуемой ФАР для каждого значения фазы принятого сигнала в канале каждого излучателя исследуемой

ФАР и определение АФР по результатам измерений, причем точку излучения размещают в зоне Френеля исследуемой ФАР, установку фазового распределения выполняют путем L-кратной установки фазы принятого сигнала в канале каждого излучателя исследуемой ФАР по случайному закону, равномерно распределенному в пределах (— л; тг), а выбор фазового распределения p (I*) осуществляют при выполнении условия

Ag(I*)/(—,- А.(I)) = г 10, 1 где А ; (1) — амплитуда сигнала на выходе исследуемой ФАР при 1-м фазировании;

L — число изменений фазы;

N — число излучателей исследуемой

ФАР;

Сопоставительный анализ заявляемого решения с прототипом показывает, что заявляемый способ отличается от известного тем, что фазу каждого излучателя выставляют по случайному закону и для каждой случайной реализации фазового распределения определяют амплитуды суммарного сигнала ФАР, после чего выбирают фазовое распределение р (I*), обеспечивающее выполнение условия

" /а,(е"ф, г к,(e>>-р-. so>l

Таким образом заявляемый способ соответствует критерию "новизна".

Сравнение заявляемого решения, не только с прототипом, но и с другими те ническими решениями в данной области гехники не позволяет выявить в них признаки, отличающие заявляемое решение от прототипа, что позволяет сделать вывод о сОответствии критерию "существенные отличия ".

На фиг,1 приведена структурНая электрическая схема устройства, реализирующего способ определения амплитудно-фазового распределения поля фазированной антенной решетки; на фиг,2 — взаимное расположение векторов, опре1786452

p(o %

А е1(Ъ

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 распределенному закону. Положим, что фаза каждого излучателя равномерно распределена на сегменте (— Л; Л) и определим математическое ожидание мощности (1) Математическое ожидание каждого члена суммы (2) зависит от комбинации индексов (m, n). При совпадении индексов математическое ожидание такой составляющей суммы равно А, а их общее число равно N. Тогда из (2) имеем

p=A (N+ . Е j е 4 I — 1е da() па m=1 2Ь д 2d ифиу Д) Проведя интегрирование в правой части (3) получаем деляющих мощность на выходе ФАР при q

= О.

Устройство измерения АФР содержит генератор 1, соединенный с вынесенным зондом 2, излучатели ФАР 3 с фазовращателями 4, распределительную систему 5, выход 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 зочу Френеля зонд 1 возбуждается генератором 1 и облучает излучатели 3.

Беэ ограничения общности, предположим, что амплитуда каждого излучателя равна "А". Тогда, при произвольном фазировании ФАР, мощность на выходе из-. мерителя мощности 6, характеризующая суммарный сигнал ФАР пропорциональна выражению

P А (N+ N(N 1)() ). (4) Для упрощения выражения (4) потребу5 ем выполнения следующего тождества:

N(N — 1)(з!п Л / Л )2 = О. (5) Тождество (5) можно обеспечить, напри10 мер, при Л = л.. Отсюда видно, что в предлагаемом способе целесообразно фазу каждого излучателя ФАР выставлять по случайному закону равномерно распределенному в пределах (— к;,7г), 15 В этом случае равенство (4) принимает наиболее простой вид.

Р=А N. (6) п=1 m=1 где tPn — случайная фаза и-го излучателя

35 на дискретном множестве.

Математическое ожидание каждого члена суммы (7) зависит от комбинации индексов (m, и). При совпадении индексов (m = п), как и в предыдущем случае с непрерывным

40 фазированием, математическое ожидание такой частной суммы равно NA, Т.к. математическое ожидание от суммы равно сумме математических ожиданий каждого слагаемого, рассмотрим математи45 ческое ожидание одного из слагаемых при

m = n. Вероятность каждого дискретного состояния фазовращателя равна 1/М, где

М вЂ” число дискретных состояний, причем

Лф=2ж /M, 50 где Л ф — дискрет фазовращателя.

Тогда математическое ожидание каждого члена суммы при m Ф и будет равно

На практике М 2 и, следовательно, Ф

20 Поясним воэможность заявленного технического решения для ФАР с дискретными фазовращателями. Здесь определяются фазы излучателей по случайному закону, равномерно распределенному на сегменте.

25 (— х;к) с последующим округлением до . ближайшего значения соответствующей дискретной фазы.

Определим математическое ожидание мощности (1)

P= А е

1786452

M — 1 е) ф =О, тогда и выражению

Р = Тп|- " + е " » i {12) (8) 10

Отсюда для (7) имеем

Р A2N

Как видно из выражений (6) и (8), математические ожидания мощности при случайноM фазирований с дискретными и, не феpывнйми фазовращателями совпадают.

Иэ (6) или (8) получаем

А =EP7N. Йа практике вместо математического ожи)да)байя используют эмпирическое среднее, котброе для амплитуды суммарного си нала равно

1ГР =А,СЙ = E т РЮ=.Е. "Q A ®, (10)

l =1 где А g (I)" эмпирическое среднее значение амплитуды суммарного сигнала ФАР;

Ag(lj амплитуда суммарного сигнала

ФАР при I-м фазировайии.

Подставляя выражение в правой части (10) в (9); ймеем

Таким обраэо;, найдено приближенное аналйтическое вь)ражение связй между эм)1ирйческим среднйм амплитуды суммарного сигнала ФАР и амплитудай возбуясдейия однoIqо изл)учателя; что позволяет, проведя

1 измерений, ойределйть усредненную ам . пЛитуду в)озбуждения одного излучателя.

Т;к процесс измерений заключается в многбкратном (зараз) перефазировании всех излучателей ФАР по случаййому закойу, измерений амплитуды суммарного сигнала на выходе ФАР, йрйчем, с помощью ЭЙМ запом)ина)от выставляемце положейия фазовра щателей (фазовое распределение ф (!)) для каждого 1-ro фазирования. Далее выбирают фазовое распределение ф {I+), при котором реализуется оптимальное соотношение (Т) между амплитудой одного излуФ

А = (L КЙ, Ау (I). (11) чателя ФАР и суммарным сигналом исследуемой ФАР.

Выбор соотношения Т поясним на конкретном примере реализации алгоритма измерения АФР поля ФАР.

Мощность, создаваемая на выходе ФАР при облучении ее зондом, пропорциональна где

Cga

Тп, фт — модуль и фаза комплексного числа в правой части (13);

20 ф, =ап+КВп+дп; а и — начальное дискретное значение фазы фаэовращателя; д „-- неизвестная фаза и-го излучвте25 ля;

Rn-расстояние от зонда до и-ro излучателя; д, -- пбгрешность измерения мощности;

An - амплитуда и-го йзлучателя;

К=2_#_ / А;

А — длина волны.

Задача определения АФР сводит я" к нахождению д „и Ап для любого и е (1; )ч).

Раскроем модуль в (12) Рс = Тп + An + 2 ТпАпчоэ

2: 2 (фп — Q) +qАф)+ дд . (14)

Производя переключение фазовращателя и- го и®лучателя, получаем-числовую последовательность Pq.

Аппроксймируем последовательность (14) тригонометрической функцией

Рц а+Ьсоэ(ф+q Лф ), (15) где ф — оценка угла Q n — ф, -Т- 2+ А-2, 2-Т- А

Можйо показать, в соответствии с м)втодом наименьших квадратов, что для на) ождейия ф достаточно воспользоваться

55 решением задачи о нахождении миниМума следующего функционала;

М вЂ” 1 н - g (pq — сов(ф+ц лф ))2

g — о

1786452

An = (а+ Ь вЂ” i a - b)/2. (22) (16) Тогда из (16) имеем (24) М-1 а =,, Pq/М;

g =о (19) А;Г (I*) > 6А

rr а=Т 2+А

v в

Ь = 2TnAn (20) Дифференцируя Н по ф и приравнивая производную к нулю, получаем (Pq — cos(ф- q Л ф ))sin(ф+ q Л ф ) =

q =о

О.

2л

T.к. М = - —, то одна из частных сумм

ЕЛ ф в (16) будет

М вЂ” 1 соз(ф+ ц д ф )sin(g + р д ф ) = 0.

q=0 (17) М- М-1

Ч =-/TAN(+ P злую ) Р озрик ), где ATAN (у, х) — операция определения фазы комплексного числа х+ )у.

При известной оценке ф перейдем в (15) к определению констант а, Ь;

Функционал запишем в виде

М вЂ” 1

Н = g (Pq — а — Ьсоз(Q+ q Лф ))2, g =о

Используя метод наименьших квадратов, аналогично предыдущему находим м — 1 м

b =(g Pqcos(ф+ q Лф ))/g

g=o g =о

cos (ф + q Л ф ).

Взаимное расположение векторов, определяющих мощность на выходе ФАР при

q = О, показано на фиг.2.

Как следует из (14), (15) оценкой модулей векторов Tn, An. является \ где Tn = Тл An

Для однозначного решения системы нелинейных уравнений (20) необходимо априорное знание соотношения амплитуд Тл и

А . Для определенности потребуем An < Tn, т,к. условие An > Т, на практике выполнить не удается из-за аварийных ситуаций, когда

An =О.

Из (20) находим

5 Tn =(:. а+ Ь+ а — Ь /2; (21) Таким образом оценка амплитуды воз10 буждения п-ro излучателя найдена.

Так как фазовое распределение ФАР достаточно определить относительно произвольного вектора, то в качестве опорного вектора используем суммарный сигнал ре15 шетки А (I ) при q = О (фиг.2), В этом случае оценку для неизвестной фазы (д ) и-го излучателя можно записать в виде

Ю = АТА Й (А л Ы Ч, Т, А со 3 Ч ) -, — к К

20 л и и к rig (23) где; дп =дл т.е. найдена и оценка неизвестной фазы дл

Итак, для однозначного определения

АФР поля ФАР требуется выполнения условия Т, > An для любых и е (1; М). В случае равноамплитудной решетки для этого достаточно потребовать

А„.(I+) >2А, тогда всегда выполняется условие Тл > А.

Предположим теперь, что разброс в ам35. плитудах излучателей составляет +10 дБ (включает практически все реальные ситуа. ции) А/3 Ап « - ЗА, 40 тогда условие Tn > An реализуется при

Однако, увеличение суммарного сигнала А г(!+) при измерении амплитуды посредством приемника с погрешностью д д приводит к возрастанию"погрешности определения АФР из-за уменьшения вариации последовательности Pq (см. (14)).

Поэтому целесообразно ограничить Аф+) сверху, например, потребовав выполнение неравенств 6А «< А:г (I+) < 7А, 55 Поэтому в зависимости от априорного знания амплитудного распределения выбор начального фазового распределения осуществляют при выполнении условия

AÕ (I+)/А g f2; 10).

1786452

12 где А =(— / —,, А„г(!))

1 I

N l =1 д в = 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 ортогональном смещении зонда ошибка (д () в определении фазы равна

50 д (= Kd а/(2L(L+ а)). (26) Т.к, на практике нетрудно реализовать условия а; d «L, то из (25), (26) следует 55

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 волн не выпускаются промышленностью.

Повышение точности способа достигается при размещении зонда на измерительной вышке, у которой из-за метеорологических условий происходит перемещенил зонда., о (++а 20 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 360О, что совершенно не допустимо, В предлагаемом способе определяется не абсол)отное значение фазы каждого и-го излучателя, а разность фаз между Опорным вектором А„ . (I*) и вектором, характеризую- 30 щим возбуждение и-го излучателя.

Без ограничений общности, предполо жим, что фаза Й „(I+) совпадает с излучателем; расположенным в центре ФАР. Тогда изменение разности фаз дв при смеще; 35 йии зонда параллельно плоскости ФАР с . тосчностью до линейных членов разложенля

Маклорена составит д) «д, Рассмотрим решетку с раскрыаом 10 м, 2 = 1 см. Услоаие дал аиеи кои ы Бл ы 20 10 м.

Рассмотрим случай, когда зонд размещен в зоне Френеля на расстоянии L= 2 10 м, т.е. на порядок ближе, чем в прототипе, тогда максимальная ошибка в определении фазы излучателя при а = 1 см составит д и = 1О, в то время как в прототипе эта ошибка составляет 360 . К аналогичному эффекту приЙодит нестабильность частоты генератора, обеспечивающего возбуждения зонда и опорного канала фазометра по волноводному тракту, Формула изобретения

Способ измерения амплитудно-фазового распределения поля фазированной антенной решетки, включающий излучение сигнала, прием его исследуемой ФАР, предварительную установку фазы принятого сигнала 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, о т л ич а (о шийся тем, что, с целью повышения точности, сигнал излучают из зоны Френеля исследуемой ФАР, а предварительную установку фазы принятого сигнала в канале каждого излучателя исследуемой ФАР осуществляют путем L-кратной установки фазы принятого сигнала в канале каждого излучателя исследуемой ФАР по случаййому закону, равномерно распределенному в пределах (— z, к1, одновременно во всех каналах и в каждом канале независимо от других каналов, измерения амплитуды принятого исследуемой ФАР сигнала А (() при каждойустановкефазы, а выбор фаз рп (I*) осуществляют при выполнении условия

АР (I*)/(— я- 2, А Р (1)) = 2 — 10,, где L» 1 — число изменений фазы;

К вЂ” число излучателей исследуемой

ФАР;

1« I* KL (Фи. иг. 2

Составитель А.Антилин

Техред M.Ìoðãåíòàë Корректор М.Шароши

Редактор

Заказ 246 Тираж Подписное

ВНИИПИ (осударств;нного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР ((3035. Москва, Ж-35. Раушская наб., 4/5

Производственно-издагельский комбинат "Патент", г. Ужгород. ул.Гагарина. 101