Способ обработки зависящего от времени выходного комплексного сигнала интегрального мониторного волновода в фазированных антенных решетках и устройство для его осуществления

 

Использование: в антенной технике для автоматической калибровки фазированной антенной решетки (ФАР), в частности в антенных решетках для микроволновых систем посадки. Сущность изобретения: способ обработки выходного комплексного сигнала в фазированных антенных решетках заключается в том, что комплексное апертурное распределительное ФАР подвергают преобразованию Фурье, затем действительную часть выходного комплексного сигнала интегрального мониторного волновода подвергают гомодинному детектированию, а мнимую часть образуют посредством преобразования Гильберта. Устройство, реализующее способ, содержит генератор СВЧ 1, блок распределения мощности 2, фазовращатели 3, излучатели 4, интегральный волновод 5, смеситель 6, фильтр нижних частот 7, цифроаналоговый преобразователь 8, аналого-цифровой преобразователь 9, сигнальный процессор преобразования Гильберта 10, блок регулировки, блок сравнения. 2 с.п. и 5 з.п. ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к способу и устройству для автоматической калибровки фазированной антенной решетки, в частности антенных решеток для микроволновых систем посадки.

К точности наземных радиотехнических средств обеспечения посадки и авиации, в частности к точности микроволновых систем посадки предъявляется очень высокие требования. Чтобы быть в состоянии удовлетворять этим требованиям, антенны, используемые для систем посадки, должны быть очень хорошо откалиброваны. Это относится как к азимутальным антеннам (AZ-антеннам), так и к антеннам угла места (EK-антеннам).

Известен способ калибровки фазированной АZ-антенны с 4-битовым фазовым разрешением, в случае которого испытательные зонды вводятся в каждый волноводный одиночный излучатель. Однако, обнаружилось, что воспроизводимость измерений с помощью испытательных зондов в случае фазированных групповых антенн с 6-битовым разрешением не дает удовлетворительных результатов. Можно было бы лучше осуществить калибровку такой антенны, если бы было известно ее апертурное распределение по величине и фазе. Для получения апертурного распределения фазированной групповой антенны используют интегральный мониторный волновод. В интегральный мониторный волновод через отверстия связи вводят составляющие сигнала из каждого элемента излучателя, либо незадолго перед излучением, либо непосредственно после излучения. Выходной сигнал интегрального мониторного волновода соответствует в первом приближении изменению поля в дальней зоне антенны. Изменение поля в дальней зоне и апертурное распределение антенны связываются друг с другом посредством преобразования Фурье. Поэтому из выходного сигнала интегрального мониторного волновода может быть определено комплексное апертурное распределение антенны. В известных способах для этого используется квадратурный метод. (1/Q-преобразователь). В случае этого метода сигнал из локального осциллятора смешивается с выходным сигналом интегрального мониторного водновода один раз под углом, равным 0^о, а второй раз с фазовым смещением равным 90^о. Смешение при фазовом смещении, равном 0^о, дает действительную часть выходного сигнала, а смешение при фазовом смещении, равном 90^о, дает мнимую часть выходного сигнала интегрального мониторного волновода. Последующее преобразование Фурье действительной и мнимой части выходного сигнала дает апертурное распределение антенны. Недостаток этого способа заключается в использовании двух смесителей.

Цель изобретения повышение точности калибровки выходных сигналов интегрального мониторного водновода в фазированных антенных решетках.

На фиг.1 представлена структурная схема обработки выходного комплексного сигнала интегрального мониторного волновода в фазированных антенных решетках; на фиг. 2 структурная схема устройства с блоком регулировки; на фиг.3 пример выполнения интегрального мониторного волновода.

Устройство, реализующее способ обработки комплексного сигнала, содержит источник высокочастотного сигнала 1, блок распределения мощности 2, фазовращатели 3, излучатели 4, интегральный мониторный волновод 5, смеситель 6, фильтр нижних частот 7, цифро-аналоговый преобразователь 8, аналого-цифровой преобразователь 9, сигнальный процессор преобразования Гильберта 10, блок регулировки 11, блок сравнения 12, блок памяти 13.

Устройство работает следующим образом. Сигнал от источника СВЧ 1 поступает на блок распределения мощности 2 и затем через фазовращатели 3 и излучатели 4 передается в интегральный мониторный волновод 5. Выходной сигнал интегрального мониторного волновода подается в смеситель 6, в который одновременно поступает СВЧ-сигнал, введенный с помощью блока ввода вывода. Если величина сигнала на выходе интегрального мониторного волновода 5 существенно меньше, чем величина сигнала СВЧ источника сигнала 1, то смеситель 6 работает в линейном режиме и для напряжения U на выходе фильтра 7 действительно следующее соотношение: U≈|A_м(t)| cos(ϑ_м ϑ_R) ≈|A_м(t)| cos(Δα + ϑ(t)), где ϑ_м ω₀t + α_м + Φ (t) фаза мониторного сигнала; ϑ_R ω₀t + α_R фаза опорного сигнала; Φ (t) общая фазовая функция системы ФАР Δ α α_м α_R.

На выходе фильтра 7 имеется действительная часть комплексной передаточной функции ФАР, т.е. действительная часть выходного сигнала интегрального мониторного волновода 5. Выходной сигнал на выходе фильтра нижних частот 7 преобразуется в цифровую форму с помощью преобразователя 8, осуществляющего выборку и хранение информации и аналого-цифрового преобразователя 9. Тем самым на выходе аналого-цифрового преобразователя 9 в распоряжении имеется сигнал, являющийся дискретным по времени и значению.

Действительная и мнимая часть спектра комплексных каузальных временных функций связаны через интегральное преобразование Гильберта. Другими словами это означает, что достаточно измерить действительную часть таких функций, так как мнимая часть может быть рассчитана с помощью преобразования Гильберта.

Выходной сигнал преобразователя 9 поступает на вход сигнального процессора 10, где посредством дискретного преобразования Гильберта рассчитывается недостающая мнимая часть выходного сигнала интегрального мониторного волновода 5. После этой операции в распоряжении имеется полный комплексный сигнал поля в дальней зоне фазированной антенной решетки.

В таком случае применение дискретного преобразования Фурье (ДПФ) или быстрого преобразования Фурье (БПФ) дает обратное преобразование к апертурному распределению антенны.

Выходной сигнал интегрального мониторного волновода 5 соответствующий полю в дальней зоне антенны подвергается интегральному преобразованию в сигнальном процессоре 10, чтобы получить апертурное распределение антенны. Далее сигнал через блок 11 поступает на соответствующий вход блока сравнения, на второй вход которого вводится заданное значение для фазовой установки фазовращателей 3. На выходе блока сравнения имеем сигнал разности между заданным значением фазового распределения и выходным сигналом блока регулировки 11. Процесс регулировки повторяется до тех пор, пока заданное и действительное значение апертурного распределения не будут отличаться друг от друга лишь в пределах предписанного диапазона допуска. При осуществлении способа скорость считывания мониторного сигнала должна быть настолько высокой, чтобы непосредственные эффекты наложения в восстановленной функции распределения стали пренебрежимо малыми, т.е. явно свыше частоты Найквиста.

Апертурное распределение получается с помощью преобразования Гильберта выходного сигнала интегрального мониторного волновода 5, пример выполнения которого представлен на фиг.3.

В интегральный мониторный волновод через отверстия связи вводятся составляющие сигнала от каждого элемента излучателя. Сигнальные составляющие накладываются в интегральном мониторном волноводе с образованием комплексного, зависящего от времени, сигнала. В случае сигнальных составляющих, вводимых в интегральный мониторный волновод, речь идет либо о сигнальных составляющих незадолго до излучения (в случае азимутальных антенн), либо непосредственно после излучения (в случае антенн угла места). Сигнал, появляющийся на выходе интегрального мониторного волновода 5, соответствует в первом приближении изменению диаграммы поля в дальней зоне антенны. Вследствие задаваемой преобразованием Фурье зависимости между апертурным распределением антенны и диаграммой поля в дальней зоне этой же антенны может быть рассчитано комплексное апертурное распределение из выходного сигнала интегрального мониторного волновода.

Таким обpазом, преимущества способа согласно изобретению и соответствующего устройства заключаются в том, что с их помощью можно калибровать антенну даже во время эксплуатации. Другое преимущество заключается в том, что путем выбора преобразования Гильберта для получения апертурного распределения необходимо использовать только один смеситель. Вследствие этого улучшается отношение сигнал/шум полезного сигнала.

Формула изобретения

1. Способ обработки зависящего от времени выходного комплексного сигнала интегрального мониторного волновода в фазированных антенных решетках, заключающийся в том, что комплексное апертурное распределение фазированной антенной решетки подвергают преобразованию Фурье, отличающийся тем, что действительную часть выходного комплексного сигнала интегрального мониторного волновода подвергают гомодинному детектированию, а мнимую часть выходного комплексного сигнала интегрального мониторного волновода образуют посредством преобразования Гильберта.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что мнимую часть выходного комплексного сигнала интегрального мониторного волновода образуют посредством дискретного преобразования Гильберта.

3. Способ по пп. 1 и 2, отличающийся тем, что комплексное апертурное распределение фазированной антенной решетки подвергают дискретному преобразованию Фурье.

4. Устройство для обработки зависящего от времени выходного комплексного сигнала интегрального мониторного волновода в фазированной антенной решетке, содержащее сигнальный процессор, последовательно соединенные источник высокочастотного сигнала и блок распределения мощности, соответствующий выход которого через последовательно соединенные фазовращатель и излучатель соединен с соответствующим входом интегрального мониторного волновода, выход которого соединен с первым входом смесителя, выход которого соединен с входом фильтра нижних частот, отличающийся тем, что второй вход смесителя соединен с выходом источника высокочастотного сигнала, а выход фильтра нижних частот через введенные последовательно соединенные цифроаналоговый и аналого-цифровой преобразователи соединен с входом сигнального процессора, выполненного с возможностью производить преобразование Гильберта.

5. Устройство по п.4, отличающееся тем, что в него дополнительно введены последовательно соединенные блок памяти и блок сравнения, блок регулировки, вход которого соединен с выходом сигнального процессора, а выход с разностным входом блока сравнения, выход которого соединен с управляющим входом соответствующего фазовращателя, вход блока памяти является входом заданного значения апертурного распределения фазированной антенной решетки.

6. Устройство по п.5, отличающееся тем, что блок регулировки и блок сравнения выполнены в виде микропроцессора.

7. Устройство по п.5, отличающееся тем, что блок регулировки и блок сравнения выполнены в виде персонального компьютера.

РИСУНКИ

Рисунок 1