Устройство контроля работоспособности фазированных антенных решеток

 

Изобретение относится к технике антенных измерений и может быть использовано в широкополосных фазированных антенных решетках для интегральной оценки их технического состояния. Устройство контроля работоспособности фазированных антенных решеток содержит генератор качающейся частоты 1, вспомогательную антенну 2, включенный между ними π - манипулятор фазы 3, контролируемую фазированную антенную решетку, включающую N последовательно соединенных излучателей 5 и дискретных фазовращателей 6, 7, 8, подключенных ко входам сумматора; блок управления 10, состоящий из блока управления режимами работы фазированной антенной решетки 11 и подключенных к нему вычислителя фазы 12 и блока формирования испытательного сигнала 13, причем N выходов блока управления 10 подключены к управляющим входам дискретных фазовращателей 6, 7, 8, к выходу сумматора 9, подключены последовательно соединенные приемники и измерительный блок 15, в качестве гетеродинного сигнала для приемника 14 использован сигнал генератора качающейся частоты 1, управляющий вход измерительного блока 15 подключен к дополнительному выходу генератора качающейся частоты 1. Генератор псевдослучайной последовательности 16 соединен с управляющим входом p - манипулятора фазы 3 и через линию задержки 17 - с третьими входами блока управления режимами работы фазированной антенной решетки 11. Технический результат заключается в проведении интегрального контроля работоспособности широкополосной фазированной антенной решетки в ее рабочей полосе частот при обеспечении скрытности проверки. 3 ил.

Изобретение относится к технике антенных измерений и может быть использовано в широкополосных фазированных антенных решетках радиотехнических систем, включая системы специального назначения, для интегральной оценки их технического состояния.

Известны устройства работоспособности фазированных антенных решеток, позволяющие выполнять проверку работоспособности с использованием модуляционного метода контроля /1, 2/. С их помощью обеспечивается поэлементный контроль фазированной антенной решетки в ее рабочем состоянии без отключения последней от радиотехнической системы. К ним относится и устройство поэлементного контроля фазированных антенных решеток /3/. Однако указанное устройство имеет ряд недостатков, основными из которых являются малый уровень измерительного сигнала по отношению к суммарному сигналу неконтролируемых каналов; наличие суммарного сигнала неконтролируемых каналов в течение всего времени контроля, что является демаскирующим признаком той радиотехнической системы, в составе которой функционирует фазированная антенная решетка; зависимость времени контроля каналов фазированной антенной решетки от числа ее элементов; контроль проводится только на фиксированной частоте (отсутствует контроль в полосе рабочих частот); невозможен контроль фазированной антенной решетки при переносе измерений в ближнюю зону (то есть контроль антенных решеток, установленных на подвижных объектах).

Устройство по способу контроля работоспособности /4/ позволяет проводить интегральный контроль фазированной антенной решетки по глубине паразитной амплитудной модуляции суммарного сигнала на выходе ее сумматора при синхронной модуляции сигналов в каналах решетки. Однако и это устройство сохраняет ряд недостатков, присущих описанному выше, а именно: наличие в качестве демаскирующего признака контрольного сигнала, излученного в направлении контролируемой фазированной антенной решетки; низкая достоверность контроля, обусловленная проверкой фазированной антенной решетки на фиксированной частоте, снижающаяся с увеличением числа элементов фазированной антенной решетки; невозможность проверки фазированной антенной решетки в ближней зоне.

Известно устройство для поэлементного контроля фазированных антенных решеток /5/, содержащее генератор СВЧ, вспомогательную антенну, контролируемую фазированную антенную решетку, включающую N последовательно соединенных излучателей и дискретных фазовращателей, делитель мощности, N выходов которого соединены с соответствующими входами фазовращателей, блок управления, включающий блок управления режимами работы фазированной антенной решетки, вычислитель фаз и блок формирования испытательного сигнала, причем N выходов вычислителя фаз и блока формирования испытательного сигнала подключены соответственно к первым и вторым входам блока управления режимами работы фазированной антенной решетки, приемник, измерительный блок, генератор псевдослучайной последовательности, линию задержки, которая подключена к одному из выходов генератора псевдослучайной последовательности, π - манипулятор фазы, выход которого соединен со вспомогательной антенной, а управляющий вход со вторым выходом генератора псевдослучайной последовательности, причем гетеродинный вход приемника подключен к выходу генератора СВЧ, выход приемника ко входу измерительного блока, N выходов блока управления подключены к управляющим входам дискретных фазовращателей.

Указанное устройство является наиболее близким по технической сущности к заявленному изобретению. Однако и это устройство обладает низкой достоверностью контроля, обусловленной проверкой широкополосной фазированной антенной решетки на физированной частоте, особенно при использовании в составе радиотехнических систем специального назначения.

Заявленное изобретение направлено на решение задачи обеспечения интегрального контроля работоспособности фазированной антенной решетки в рабочей полосе частот последней, проводимого в условиях радиомолчания радиотехнической системы, в составе которой находится антенная решетка, то есть при обеспечении скрытности контроля.

Подобная задача возникает в радиотехнических системах специального назначения с широкополосными фазированными антенными решетками, когда контроль работоспособности на фазированной частоте не является достоверным, а сам факт проведения контроля работоспособности фазированной антенной решетки демаскирует радиотехническую систему.

Сущность изобретения состоит в том, что в устройстве контроля работоспособности фазированных антенных решеток, содержащем генератор СВЧ, вспомогательную антенну, контролируемую фазированную антенную решетку, включающую N последовательно соединенных излучателей и дискретных фазовращателей, сумматор мощности, N входов которого соединены с соответствующими фазовращателями, блок управления, включающий блок управления режимами работы фазированной антенной решетки, вычислитель фаз и блок формирования испытательного сигнала, причем N выходов вычислителя фаз и блока формирования испытательного сигнала подключены соответственно к первым и вторым входам блока управления режимами работы фазированной антенной решетки,приемник, измерительный блок, генератор псевдослучайной последовательности, линию задержки, которая подключена к одному из выходов генератора псевдослучайной последовательности, p манипулятор фазы, выход которого соединен со вспомогательной антенной, а управляющий вход со вторым выходом генератора псевдослучайной последовательности, причем гетеродинный вход приемника подключен к выходу генератора СВЧ, выход приемника ко входу измерительного блока, N выходов блока управления подключены к управляющим входам дискретных фазовращателей, линия задержки выполнена многоводной по числу N фазовращателей, а ее выходы подключены к третьим входам блока управления режимами работы фазированной антенной решетки, в качестве генератора СВЧ использован генератор качающейся частоты, причем управляющий вход измерительного блока подключен к дополнительному выходу генератора качающейся частоты, сигнальный вход приемника подключен к выходу сумматора мощности, а вход p манипулятора фазы подключен к выходу генератора СВЧ.

Получаемый технический результат при этом достигается за счет проведения интегрального контроля в полосе рабочих частот при синхронной модуляции фазы сигналов в каналах фазированной антенной решетки (измерения амплитудно-частотной характеристики антенной решетки после каждого цикла синхронного переключения секций фазовращателей, за исключением старших секций, в одно из возможных состояний);
учета разности хода от вспомогательной антенны до каждого из излучателей.

На фиг. 1 показана электрическая структурная схема устройства контроля работоспособности фазированной антенной решетки.

Она содержит генератор 1 СВЧ, вспомогательную антенну 2, включенный между ними p манипулятор 3 фазы, контролируемую фазированную антенную решетку 4. Последняя имеет в своем составе излучатели 5, дискретные двухуровневые фазовращатели с разрядами (секциями) 6, 7, 8, (для примера показаны трехразрядные фазовращатели). Выходы младших разрядов 8 соединены с N входами сумматора 9 СВЧ. В состав фазированной антенной решетки 4 входит и блок управления 10, содержащий блок 11 управления режимами работы фазированной антенной решетки и подключенные соответственно к его первым и вторым входам вычислитель фаз 12 и блок 13 формирования испытательного сигнала. К выходу фазированной антенной решетки 4 (к выходу сумматора 9 СВЧ) подключен приемник 14. В качестве гетеродинного сигнала приемника может быть использован сигнал генератора 1 СВЧ. К выходу приемника 14 подключен измерительный блок 15. Управляющий вход измерительного блока 15 соединен с дополнительным выходом генератора 1 СВЧ. Управляющий вход p манипулятора 3 фазы соединен с генератором псевдослучайных сигналов 16. К выходу генератора 16 подключена многоотводная линия задержки 17, выходы которой по числу N фазовращателей подключены к третьим входам блока 11 управления режимами работы фазированной антенной решетки. В режиме контроля выходы линии задержки 17 через блок 11 связаны с соответствующими старшими 180-градусными секциями 6 фазовращателей, а младшие секции 7 и 8 фазовращателей соединены в этом режиме с блоком 13 формирования испытательного сигнала. В рабочем режиме управляющие входы секций 6 8 фазовращателей посредством блока 11 управления режимами работы ФАР подключены к выходам вычислителя 12 фаз.

В состав измерительного блока 15 (фиг. 2) входят последовательно включенные измеритель 18, компаратор 19 и индикатор 20. Управляющий вход индикатора 20, являющийся управляющим входом измерительного блока 15, соединен с дополнительным входом генератора 1 СВЧ.

Блок 13 (фиг. 3) может быть реализован в виде набора элементов 21 задержки, число которых составляет (m-1), где m число разрядов фазовращателя и для выбранного выше трехразрядного фазовращателя должно быть равно двум. Выходы этих элементов являются выходами блока 13.

На фиг. 1 показаны не все цепи синхронизации, так как они не отличаются от аналогичных цепей устройств / 3-5/, а их отсутствие не влияет на пояснение процесса проведения интегрального контроля фазированной антенной решетки.

Работа устройства контроля работоспособности фазированной антенной решетки осуществляется следующим образом.

Перед проведением интегрального контроля с помощью блока 11 управления режимами работы фазированной антенной решетки вычислитель фаз 12 отключается от цепей управления фазовращателями фазированной антенной решетки. К цепям управления старшими (180-градусными) разрядами 6 подключается через линию 17 задержки генератор 16 псевдослучайной последовательности, а к цепям управления младшими разрядами 7 и 8 фазовращателей присоединяются выходы блока 13 формирования испытательного сигнала. Перед началом каждого цикла контроля осуществляется установка элементов цифровой техники в исходное состояние. Поступающим с выходов блока 11 управления режимами работы импульсом производится запуск генератора 16. Кроме того, этот же импульс поступает на вход блока 13 формирования испытательного сигнала. Время задержки этого импульса с помощью элементов 21 выбрано равным длительности цикла контроля, вследствие чего при первом цикле контроля состояние младших секций фазовращателей не изменяется, а вносимый ими фазовый сдвиг равен нулю.

Высокочастотные колебания генератора 1 качающейся частоты частично поступают на p манипулятор фазы 3 и частично ответвляются на приемник 14 (на его гетеродинный вход). На входе "ПИ" манипулятора фазы присутствует сигнал частоты f_o± Δf где f₀ центральная частота контролируемой фазированной антенной решетки, 2Δf полоса свипирования, не превышающая рабочую полосу частот контролируемой фазированной антенной решетки. В качестве π манипулятора фазы 3 может быть использован двухуровневый дискретный фазовращатель, обеспечивающий фазовый сдвиг 180^o. С помощью p - манипулятора 3 сигнал модулируется по закону псевдослучайной последовательности, поступающей с выхода генератора 16. В результате посредством вспомогательной антенны 2 в направлении контролируемой фазированной антенной решетки 4 излучается псевдошумовой сигнал, обладающий большой базой (произведением длительности сигнала псевдослучайной последовательности на ширину его проката). Как известно, этот сигнал имеет равномерный энергетический спектр с подавленной несущей частотой, а глубина подавления возрастает с увеличением базы. За счет своих свойств псведошумовой сигнал обеспечивает скрытость проводимой проверки фазированной антенной решетки. Принятый излучателями 5 указанный сигнал поступает на старшие (180-градусные) разряды 6 фазовращателей, на управляющие входы которых подаются сигналы генератора 16, прошедшие через линию 17 задержки. Линия 17 задержки обеспечивает по каждому каналу задержку сигнала псевдослучайной последовательности на величину, позволяющую устранить рассогласование во времени между всевдошумовой последовательностью, вырабатываемой генератором 16, и p манипулированным сигналом, поступающим на вход соответствующего старшего разряда 6 фазовращателя. В результате на выходе каждого из старших разрядов 6 формируется свертка сигнала, а выходной сигнал будет со снятой p манипуляцией по закону псевдослучайной последовательности и восстановленной несущей f_o± Δf. Проходя по каналам фазированной антенной решетки, восстановленные сигналы получают информацию об амплитудно-фазовых характеристиках этих каналов и суммируются в сумматоре 9 с их учетом. Суммарный сигнал поступает в приемник 14, где, как и в /4, 5/ осуществляется обработка сигнала, его усиление и преобразование. Гетеродинным сигналом при этом может служить сигнал генератора 1. С выхода приемника сигнал поступает в измерительный блок 15 на вход измерителя 18, который идентичен амплитудной ветви измерительного блока, описанного в /4, 5/, где производится детектирование поступающих на его вход сигналов и выделение составляющей, характеризующей амплитудно-частотную характеристику фазированной антенной решетки. С помощью компаратора 19 производится сравнение указанной выше составляющей с минимальным и максимальным порогами (опорными напряжениями). Если сигнал, поступающий на компаратор 19, не выходит за пределы этих порогов, то на выходе компаратора 19 сигнал отсутствует и на индикаторе 20 горит транспарант "Норма". При превышении пороговых значений на выходе компаратора 19 появляется сигнал и загорается транспарант "Авария". Одновременно с вводом сигнала в компаратор 19 этот же сигнал поступает на индикатор 20, например на осциллографическую трубку (на пластины "Y"), на которую (на пластины "X") поступает управляющий сигнал с дополнительного выхода генератора СВЧ, осуществляющий развертку сигнала, поступающего с выхода измерителя 18, по оси x (в пределах полосы рабочих частот (f_o± Δf) ).

Так проводится один цикл контроля работоспособности фазированной антенной решетки. За время цикла импульс со входа первого элемента 21₁ поступает на выход этого элемента и проходит на управляющие входы всех младших, 45-градусных, разрядов фазовращателей, переводя их в состояние, обеспечивающее фазовый сдвиг во всех каналах, равный 45^o. После этого цикл контроля вновь повторяется. В течение второго цикла контроля в блоке 13 формирования испытательного сигнала импульс проходит со входа второго элемента 21₂ на его выход и поступает на управляющие входы средних, 90-градусных разрядов всех фазовращателей. Вследствие этого во всех каналах излучателей обеспечивается фазовый сдвиг 90^o и цикл контроля работоспособности фазированной антенной решетки повторяется.

Существенных особенностей в выполнении введенных элементов нет.

В качестве π манипулятора 3 фазы может быть использован старший разряд (180-градусный) дискретного двухуровневого фазовращателя.

Генератор 16 псевдослучайной последовательности может быть выполнен на основе регистра сдвига с обратными связями, сумматора по модулю два и генератора тактовых импульсов /Шумоподобные сигналы в системах передачи информации. Под ред. проф. В.Б. Пестрякова. -М. Сов.радио, 1973 145-150 с/.

Многоотводная линия 17 задержки представляет собой набор элементов задержки, в качестве которых могут использоваться стандартные элементы, либо они могут быть выполнены на базе элементов цифровой техники /Лысенко Е.В. Функциональные элементы релейных устройств на интегральных микросхемах. -М. Энергоатомиздат, 1983. 128 с./.

В качестве измерителя 18 может быть использована амплитудная ветвь измерительного блока /3-5/.

Компаратор 19 является известным элементом цифровой и аналоговой техники /Зельдин Е. А. Цифровые и интегральные микросхемы в информационно-измерительной аппаратуре. -Л. Энергоатомиздат, 1986. 145 150 с./.

Индикатор 20 может включать в свой состав транспаранты "Норма" и "Авария", которые подключены к двухпозиционному коммутатору, выполненному на основе известных ключей, например интегральных микросхем серий К124, К162, и т. п. /Вениаминов В.Н. Лебедев О.Н. Мирошниченко А.И. Микросхемы и их применение. -М. Радио и связь, 1989. 66-69 с./. При отсутствии сигнала на управляющем входе ключа горит транспарант "Норма", а при появлении сигнала на выходе компаратора 19 происходит отключение транспаранта "Норма" и подключение "Авария". Кроме того, в состав индикатора 20 входит и электронно-лучевая трубка, на отклоняющие пластины которой по оси y подается управляющий сигнал с выхода измерителя 18, а на отклоняющие пластины по оси x сигнал развертки с дополнительного выхода генератора 1 СВЧ.

Получаемый технический результат заключается в проведении интегрального контроля работоспособности фазированной антенной решетки в ее рабочей полосе частот, в ближней зоне фазированной антенной решетки при обеспечении скрытности проверки, что достигается выполнением линии задержки многоотводной по числу N фазовращателей, выходы которой подключены к третьим выходам блока управления режимами работы фазированной антенной решетки, использованием генератора качающейся частоты, выполнением измерительного блока в виде последовательно соединенных измерителя, компаратора и индикатора и подключениями: управляющего входа индикатора (управляющего входа измерительного блока) к дополнительному входу генератора качающейся частоты, сигнального входа приемника к выходу сумматора мощности, входа p - манипулятора фазы к выходу генератора качающейся частоты.

Источники информации
1. Коммутационный метод измерения характеристик ФАР /Г.Г.Бубнов, С.М. Никулин, Ю.Н.Серяков, С.А.Фурсов. М. Радио и связь, 1988. 12-24 с.

2. Самойленко В.И. Шишов Ю.А. Управление фазированными антенными решетками. -М. Радио и связь, 1983. 240 с.

3. Пат. США N 3378846, кл. 343-100, 1968.

4. Авторское свидетельство СССР N 1015315, кл. G 01 R 29/10, 1983.

5. Авторское свидетельство СССР, N 1592804, МПК G 01 R 29/10, 1990.

Формула изобретения

Устройство контроля работоспособности фазированных антенных решеток, содержащее генератор СВЧ, вспомогательную антенну, контролируемую фазированную антенную решетку, включающую N последовательно соединенных излучателей и дискретных фазовращателей, сумматор мощности, N входов которого соединены с соответствующими фазовращателями, блок управления, включающий блок управления режимами работы фазированной антенной решетки, вычислитель фаз и блок формирования испытательного сигнала, причем N выходов вычислителя фаз и блока формирования испытательного сигнала подключены соответственно к первым и вторым входам блока управления режимами работы фазированной антенной решетки, приемник, измерительный блок, генератор псевдослучайной последовательности, линию задержки, которая подключена к одному из выходов генератора псевдослучайной последовательности, π -манипулятор фазы, выход которого соединен с вспомогательной антенной, а управляющий вход с вторым выходом генератора псевдослучайной последовательности, причем гетеродинный вход приемника подключен к выходу генератора СВЧ, выход приемника к входу измерительного блока, N выходов блока управления подключены к управляющим входам дискретных фазовращателей, отличающееся тем, что линия задержки выполнена многоотводной по числу N фазовращателей, а ее выходы подключены к третьим входам блока управления режимами работы фазированной антенной решетки, в качестве генератора СВЧ использован генератор качающейся частоты, причем управляющий вход измерительного блока подключен к дополнительному выходу генератора качающейся частоты, сигнальный вход приемника подключен к выходу сумматора мощности, а вход π --манипулятора фазы подключен к выходу генератора качающейся частоты.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3