Способ измерения комплексных амплитуд возбуждения каналов фазированной антенной решетки



Способ измерения комплексных амплитуд возбуждения каналов фазированной антенной решетки
Способ измерения комплексных амплитуд возбуждения каналов фазированной антенной решетки
Способ измерения комплексных амплитуд возбуждения каналов фазированной антенной решетки
Способ измерения комплексных амплитуд возбуждения каналов фазированной антенной решетки

 


Владельцы патента RU 2575772:

Акционерное общество Центральное конструкторское бюро аппаратостроения (RU)

Изобретение относится к технике антенных измерений и может быть использовано для измерения комплексных амплитуд возбуждения каналов фазированной антенной решетки (ФАР), в частности, в составе штатной аппаратуры радиолокационной станции. Способ реализуется с помощью устройства, содержащего неподвижный зонд, включающий генератор 1 контрольного сигнала со вспомогательной антенной 2 и вырабатывающий контрольный сигнал сверхвысокой частоты, который излучают в направлении ФАР 3. Принятый ФАР контрольный сигнал сверхвысокой частоты поступает на приемник 4, включающий в себя смеситель 5 и гетеродин 6, где производят его усиление и преобразование на промежуточную частоту, соответствующую рабочей полосе частот АЦП 7, осуществляющего преобразование принятого аналогового сигнала в цифровой вид. С выхода АЦП 7 цифровой сигнал поступает в ЭВМ 8, осуществляющую обработку данных. Кроме того, ЭВМ 8, управляя ФАР 3, обеспечивает поочередное переключение во все N-состояний фазовращателей каждого из каналов ФАР 3. Технический результат заключается в упрощении аппаратуры, используемой при измерениях с одновременным повышением точности измерений, а также возможность проведения измерений в составе радиолокационной станции с использованием без доработок ее штатной аппаратуры. 4 з.п. ф-лы, 4 ил.

 

Изобретение относится к технике антенных измерений и может быть использовано для измерения комплексных амплитуд возбуждения каналов фазированной антенной решетки (ФАР), в частности, в составе штатной аппаратуры радиолокационной станции.

Известен апертурно-зондовый способ измерения амплитудно-фазового распределения поля ФАР, при котором напряженность поля в различных точках выбранной для измерения поверхности регистрируется перемещающимся измерителем поля (Фрадин А.З., Рыжков Е.В. Измерение параметров антенно-фидерных устройств. - М.: Связь, 1972, - 236 с., с. 214-215).

Недостатками способа являются:

- высокая трудоемкость измерений;

- высокая суммарная ошибка из-за влияния зонда и механизма его перемещения на параметры излучателей каналов ФАР, погрешностей позиционирования, а также взаимовлияние каналов при измерениях;

- высокие требования к конструкции ФАР, связанные с необходимостью точной ориентации зонда и каналов в ФАР;

- высокая сложность оборудования, осуществляющего точные механические перемещения зонда относительно каналов ФАР.

Известен способ измерения комплексных амплитуд возбуждения каналов ФАР, включающий генерацию контрольного сигнала сверхвысокой частоты, излучение его неподвижным зондом, прием контрольного сигнала ФАР при поочередной модуляции фазы сигнала каждого канала ФАР, преобразование сигнала на видеочастоту и формирование квадратурных составляющих, при котором переключение канала в каждое фазовое состояние производят один раз, в каждом фазовом состоянии канала последовательно осуществляют серию преобразований аналогового сигнала в цифровой вид и запоминают серии цифровых отсчетов сигнала, поочередно, по одному из каждой серии, считывают все цифровые отсчеты сигнала, из полученной последовательности выделяют сигнал коммутируемого канала и вычисляют комплексные амплитуды возбуждения канала (Патент РФ №2267795, МПК G01R 29/10, 2004 г.).

Недостатками данного способа являются:

- наличие ошибок измерения фазовых коэффициентов каждого канала вследствие зависимости их от начальной фазы суммарного сигнала, которая может изменяться в процессе измерений в результате взаимных перемещений зонда и ФАР (особенно при установке зонда или ФАР вне укрытий, когда они подвержены ветровым нагрузкам);

- высокая сложность и стоимость измерительной аппаратуры, так как способ требует фазовой привязки контрольного сигнала сверхвысокой частоты, излучаемого зондом, и сигнала гетеродина для формирования квадратурных составляющих принятого сигнала;

- невозможность проведения измерений и настройки ФАР в составе радиолокационной станции без доработок ее штатной аппаратуры;

- невозможность настройки ФАР, работающих на передачу;

- необходимость проведения предварительного измерения характеристик ферритовых фазовращателей, входящих в состав каналов ФАР;

- невозможность измерения амплитуды возбуждения каналов фазированной антенной решетки (ФАР) и крутизны перестроечной фазо-временной характеристики ферритовых фазовращателей, входящих в состав каналов ФАР.

Наиболее близким к предлагаемому способу является способ измерения комплексных амплитуд возбуждения каналов ФАР методом МТЕ (Measrement of two elements, или измерение двух элементов).

Для определения характеристик каналов этим методом состояние фазовращателя опорного канала фиксируется, затем фазовращатель тестируемого канала последовательно устанавливается во всевозможные состояния L=2n и производится измерение мощности суммарного сигнала.

При переключении фазовращателя фаза тестируемого сигнала совершает полный оборот, при этом суммарный сигнал описывает окружность вокруг радиус-вектора опорного сигнала. Мощность суммарного сигнала при этом изменяется. Соотношение фаз опорного и тестируемого сигналов может быть определено по положению максимума и минимума мощности, соотношение амплитуд - через отношение минимальной и максимальной амплитуд суммарного сигнала (А.В. Бондарик, A.M. Шитиков, Ф.Г Шубов. Опыт использования в многоканальных фазированных антенных решетках поэлементных методов калибровки без применения фазометрической аппаратуры. - Журнал Антенны, выпуск 1 (92), 2005 г., с. 15-21).

Недостатками данного способа являются:

- необходимость проведения предварительного измерения крутизны перестроечной характеристики ферритовых фазовращателей, входящих в состав каналов ФАР;

- невозможность измерения амплитуды возбуждения каналов ФАР и крутизны перестроечной фазо-временной характеристики ферритовых фазовращателей, входящих в состав каналов ФАР.

Перед авторами стояла задача разработать способ измерения комплексных амплитуд возбуждения каналов ФАР, лишенный перечисленных недостатков.

Техническим результатом заявляемого способа измерения комплексных амплитуд возбуждения каналов ФАР является упрощение аппаратуры, используемой при измерениях при одновременной повышении точности измерений, а также возможность проведения измерений в составе радиолокационной станции с использованием без доработок ее штатной аппаратуры.

Технический результат достигается за счет того, что в способе измерения комплексных амплитуд возбуждения каналов ФАР, использующем неподвижный зонд и включающем генерацию контрольного сигнала сверхвысокой частоты, излучение и прием контрольных сигналов, соответствующих поочередному переключению во все N-состояний фазовращателей каждого из каналов ФАР, соответствующих изменению длительности импульса установки фазового состояния фазовращателя от 0 до Δτ·(N-1), где Δτ - шаг изменения длительности импульса установки фазового состояния фазовращателя, преобразование принятого аналогового сигнала в цифровой вид, комплексную амплитуду возбуждения каждого канала ФАР и крутизну перестроечной характеристики ферритовых фазовращателей, входящих в состав каналов ФАР, определяют путем вычисления для каждого канала ФАР совокупности дискретных преобразований Фурье с числом элементов от Nmin до N, где Nmin выбирается из условия обеспечения длительности импульса установки фазового состояния, равной Δτ·(Nmin-1), при которой вносимый фазовый сдвиг любого фазовращателя каналов ФАР не превысит 360°, причем в качестве исходных данных для дискретных преобразований Фурье используются преобразованные в цифровой вид контрольные сигналы, полученные при поочередном переключении соответствующего канала ФАР, последующего выбора для каждого канала ФАР из совокупности соответствующих ему результатов вычисления дискретных преобразований Фурье результата, имеющего максимальное отношение амплитуды гармоники с самой большой амплитудой, кроме нулевой, к сумме амплитуд остальных, кроме нулевой, гармоник, при этом комплексные амплитуды возбуждения каналов ФАР равны соответствующим комплексным амплитудам гармоник дискретных преобразований Фурье с самой большой амплитудой, кроме нулевых, а крутизна перестроечной характеристики фазовращателя i-го канала ФАР определяется по формуле: Si=360°/(Δτ·Ni), где Ni - число элементов выбранного дискретного преобразования Фурье, соответствующее i-му каналу ФАР.

Излучение контрольного сигнала сверхвысокой частоты осуществляют неподвижным зондом, а его прием - ФАР.

Излучение контрольного сигнала сверхвысокой частоты осуществляют ФАР, а его прием - неподвижным зондом.

Излучение и прием контрольного сигнала сверхвысокой частоты осуществляют неподвижным зондом.

Поочередное переключение во все N-состояний фазовращателей каждого из каналов ФАР производят не менее двух раз.

Заявляемый способ измерения комплексных амплитуд возбуждения каналов ФАР обладает совокупностью существенных признаков, не известных из уровня техники для изделий подобного назначения, что позволяет сделать вывод о соответствии критерию «новизна» для изобретения.

Заявляемый способ измерения комплексных амплитуд возбуждения каналов ФАР, по мнению заявителей и авторов, соответствует критерию «изобретательский уровень», т.к. для специалистов он явным образом не следует из уровня техники, т.е. не известен из доступных источников научной, технической и патентной информации на дату подачи заявки.

Сущность предлагаемого решения поясняется с помощью чертежей, где:

- на фиг. 1 приведен вариант подключения контрольно-измерительной аппаратуры при проведении измерений параметров каналов ФАР, работающей на прием;

- на фиг. 2 - вариант подключения контрольно-измерительной аппаратуры при проведении измерений параметров каналов отражательной ФАР;

- на фиг. 3 - вариант подключения контрольно-измерительной аппаратуры при проведении измерений параметров каналов ФАР, работающей на передачу;

- на фиг. 4 - графики огибающих выборок принятых сигналов с выхода ФАР и результаты соответствующих им вычислений дискретных преобразований Фурье при различном числе элементов в выборках.

Рассмотрим реализацию способа на примере проведения измерений параметров каналов ФАР, работающей на прием. Вариант схемы соединений контрольно-измерительной аппаратуры для указанного примера, реализующей заявляемый способ представлен на фиг. 1.

В состав схемы входят: неподвижный зонд, содержащий генератор 1 контрольного сигнала со вспомогательной антенной 2, ФАР 3, выход которой соединен с приемником 4, включающим в себя смеситель 5 и гетеродин 6. Выход приемника 4 через АЦП 7 подключен к ЭВМ 8, подключенной в свою очередь к ФАР 3.

Способ реализуется следующим образом.

Неподвижный зонд, содержащий генератор 1 контрольного сигнала со вспомогательной антенной 2, генерирует контрольный сигнал сверхвысокой частоты, который излучают в направлении ФАР 3. Принятый ФАР контрольный сигнал сверхвысокой частоты поступает на приемник 4, включающий в себя смеситель 5 и гетеродин 6, где производят его усиление и преобразование на промежуточную частоту, соответствующую рабочей полосе частот АЦП 7, осуществляющего преобразование принятого аналогового сигнала в цифровой вид. С выхода АЦП 7 цифровой сигнал поступает в ЭВМ 8, осуществляющую обработку данных. Кроме того, ЭВМ 8, управляя ФАР 3, обеспечивает поочередное переключение во все N-состояний фазовращателей каждого из каналов ФАР 3.

Определение комплексной амплитуды возбуждения каждого канала ФАР производят следующим образом.

Для каждого элемента ФАР берут выборки принятых сигналов в цифровом виде с количеством элементов Ni, соответствующие изменению длительности импульса установки фазового состояния фазовращателя от 0 до Δτ·(Ni-1),

где Δτ - шаг изменения длительности импульса установки фазового состояния фазовращателя,

Ni=Nmin…N.

Nmin выбирают из условия обеспечения длительности импульса установки фазового состояния, равной Δτ·(Nmin-1), при котором вносимый фазовый сдвиг любого фазовращателя каналов ФАР не превысит 360°. Для каждой выборки вычисляется дискретное преобразование Фурье с числом элементов от Nmin до N соответственно.

Из взятых выборок выбирают ту, для которой вносимый фазовращателем фазовый сдвиг элемента ФАР, соответствующий длительности импульса установки фазового состояния Δτ·(Ni-1), равен или максимально близок 360°. Признаком этой выборки является максимальное отношение гармоники с самой большой амплитудой, кроме нулевой, к сумме амплитуд остальных, кроме нулевой, гармоник для соответствующего ей дискретного преобразования Фурье. У остальных выборок это отношение будет меньше.

Комплексная амплитуда гармоники дискретного преобразования Фурье с самой большой амплитудой, кроме нулевой, для выбранной выборки соответствует комплексной амплитуде возбуждения канала ФАР, а крутизна перестроечной характеристики фазовращателя канала ФАР определяется по формуле: Si=360°/(Δτ·Nвыбр), где Nвыбр - число элементов выбранного дискретного преобразования Фурье для данного канала.

Описанные вычисления поясняют графики, приведенные на фиг. 4, на которых приведены огибающие выборок с количеством элементов Ni=14…19 и соответствующие им дискретные преобразования Фурье, число на которых равно отношению амплитуды гармоники с самой большой амплитудой, кроме нулевой, к сумме амплитуд остальных, кроме нулевой, гармоник. На приведенных графиках гармоникой с самой большой амплитудой, кроме нулевой, является первая гармоника.

Из представленных графиков видно, что для выборки с Ni=16 вносимый фазовращателем фазовый сдвиг элемента ФАР, соответствующий длительности импульса установки фазового состояния Δτ·(Ni-1), равен или максимально близок 360°. Кроме того, этой выборке соответствует максимальное отношение первой гармоники к сумме остальных, начиная со второй, гармоник для соответствующего ей дискретного преобразования Фурье. Для остальных выборок с меньшим (Ni=14, Ni=15) и большим (Ni=17, Ni=18, Ni=19) по сравнению с выборкой Ni=16 это отношение меньше. По этому признаку из представленных выборок выбирают выборку с Ni=16. При этом крутизна перестроечной характеристики фазовращателя с приведенными выборками сигнала будет равна S=360°/(Δτ·16), а комплексная амплитуда возбуждения канала ФАР равна комплексной амплитуде первой гармоники дискретного преобразования Фурье для выборки Ni=16.

Описанный способ измерения комплексных амплитуд возбуждения каналов ФАР применим и для других типов ФАР, например отражательных и работающих на передачу. Варианты подключения контрольно-измерительной аппаратуры при проведении измерений параметров каналов ФАР для этих случаев приведены на фиг. 2 и 3.

Заявляемый способ измерения комплексных амплитуд возбуждения каналов ФАР, позволяет, кроме того, измерять крутизну перестроечной характеристики ферритовых фазовращателей, входящих в состав каналов ФАР, т.е. расширяет его функциональные возможности.

Для подтверждения эффективности работы указанного способа на предприятии были настроены ряд ФАР, имеющих количество каналов до 2500. При измерениях получена точность измерения вносимой фазовращателями каналов ФАР фазы не хуже 6°, соизмеримая с ней точность измерения крутизны перестроечной характеристики, получена приемлемая точность измерения амплитуды возбуждения каналов ФАР (не хуже 0,5 дБ). Все это подтверждает соответствие заявляемого способа критерию «промышленная применимость».

1. Способ измерения комплексных амплитуд возбуждения каналов фазированной антенной решетки (ФАР), использующий неподвижный зонд, включающий генерацию контрольного сигнала сверхвысокой частоты, излучение и прием контрольных сигналов, соответствующих поочередному переключению во все N-состояний фазовращателей каждого из каналов ФАР, соответствующие изменению длительности импульса установки фазового состояния фазовращателя от 0 до , где - шаг изменения длительности импульса установки фазового состояния фазовращателя, преобразование принятого аналогового сигнала в цифровой вид, отличающийся тем, что комплексную амплитуду возбуждения каждого канала ФАР и крутизну перестроечной характеристики ферритовых фазовращателей, входящих в состав каналов ФАР определяют путем вычисления для каждого канала ФАР совокупности дискретных преобразований Фурье с числом элементов от Nmin до N, где Nmin выбирают из условия обеспечения длительности импульса установки фазового состояния, равной , при которой вносимый фазовый сдвиг любого фазовращателя каналов ФАР не превысит 360°, причем в качестве исходных данных для дискретных преобразований Фурье используют преобразованные в цифровой вид контрольные сигналы, полученные при поочередном переключении соответствующего канала ФАР, последующего выбора для каждого канала ФАР из совокупности соответствующих ему результатов вычисления дискретных преобразований Фурье результата, имеющего максимальное отношение амплитуды гармоники с самой большой амплитудой, кроме нулевой, к сумме амплитуд остальных, кроме нулевой, гармоник, при этом комплексные амплитуды возбуждения каналов ФАР равны соответствующим комплексным амплитудам гармоник дискретных преобразований Фурье с самой большой амплитудой, кроме нулевых, а крутизну перестроечной характеристики фазовращателя i-го канала ФАР определяют по формуле: , где Ni - число элементов выбранного дискретного преобразования Фурье, соответствующее i-му каналу ФАР.

2. Способ измерения комплексных амплитуд возбуждения каналов ФАР по п. 1, отличающийся тем, что излучение контрольного сигнала сверхвысокой частоты осуществляют неподвижным зондом, а его прием - ФАР.

3. Способ измерения комплексных амплитуд возбуждения каналов ФАР по п. 1, отличающийся тем, что излучение контрольного сигнала сверхвысокой частоты осуществляют ФАР, а его прием - неподвижным зондом.

4. Способ измерения комплексных амплитуд возбуждения каналов ФАР по п. 1, отличающийся тем, что излучение и прием контрольного сигнала сверхвысокой частоты осуществляют неподвижным зондом.

5. Способ измерения комплексных амплитуд возбуждения каналов ФАР по п. 1, отличающийся тем, что поочередное переключение во все N состояний фазовращателей каждого из каналов ФАР производят не менее двух раз.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к радиотехнике, в частности к средству электромагнитного испытания объекта. Стенд содержит зонды, безэховые электромагнитные поглотители, опорную конструкцию, систему перемещения, привод устройства механического перемещения, компьютер, интерфейс пользователя, датчик угла положения опоры, контур обратной связи, опорные ролики, а также вторую систему углового перемещения.
Использование: для разработки подземных антенн. Сущность изобретения заключается в том, что осуществляют подготовку площадки с подстилающей поверхностью, операции уменьшения антенны в M раз, где M - коэффициент моделирования, увеличения частоты в M раз, при этом выбирают параметры подстилающей поверхности, влияющие на электрические и направленные свойства антенн, диэлектрическую проницаемость ε и удельную проводимость σ, проводят измерения диэлектрической проницаемости ε и удельной проводимости σ различных подстилающих поверхностей, в вычислителе создают базы данных диэлектрической проницаемости ε и удельной проводимости σ, задают нужные значения рабочей частоты антенны, с помощью вычислителя выбирают параметры диэлектрической проницаемости ε и удельной проводимости σ, необходимые для получения нужного значения рабочей частоты антенны и напряженности ее поля.

Изобретение относится к технике антенных измерений и может быть использовано для измерения коэффициента усиления антенн различных радиоэлектронных средств в натурных условиях, в частности в условиях городской застройки.

Изобретение относится к области электротехники, в частности для обработки синусоидального электрического сигнала с целью определения параметров его вектора. Способ включает использование цифрового информационно-измерительного устройства, состоящего из нелинейного преобразователя (НП) и линейного преобразователя (ЛП).

Изобретение относится к области антенных измерений. Измерения параметров антенных систем осуществляют с использованием метода пространственно-временной селекции.

Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано для определения радиотехнических характеристик крупногабаритных антенн для космических аппаратов без их непосредственных измерений.

Использование: антенная техника, в частности в способах измерения характеристик диаграммы направленности активных и пассивных антенных решеток. Сущность: способ измерения характеристик диаграммы направленности активной/пассивной фазированной антенной решетки состоит в том, что осуществляют формирование сигнала на входе либо приемного, либо передающего канала и обработку принятых сигналов.

Изобретение относится к области радиотехники. Характеристики диаграммы направленности АФАР определяются в процессе СВЧ-контроля излучателей и связанных с ними ППМ при работе АФАР на прием дополнительно проводится оценка состояния многоступенчатого управляемого аттенюатора каждого i-го ППМ и оценка характеристик входящего в состав приемного канала каждого i-го ППМ АФАР малошумящего усилителя, а при работе АФАР на передачу проводится оценка состояния многокаскадного управляемого усилителя мощности передающего канала каждого i-го ППМ.

Изобретение относится к антенным измерениям и может быть использовано для определения поляризационных характеристик антенн (коэффициент эллиптичности, угол наклона большой оси эллипса, направление вращения вектора напряженности электрического поля).

Изобретение относится к технике антенных измерений и может быть использовано для проведения экспериментальной оценки коэффициента усиления антенн, различных радиоэлектронных систем в диапазоне частот. Способ основан на генерировании высокочастотного сигнала на заданной частоте f, измерении его мощности Pэ и излучении с помощью эталонной антенны в направлении исследуемой антенны, расположенной в дальней зоне, приеме исследуемой антенной сигнала, измерении его мощности Pи и вычислении коэффициента усиления антенны по формуле G и = P и 4 π R 2 P э S э ф ф , где R = 12 h 2 f c , h - высота размещения фазовых центров эталонной и исследуемой антенн от подстилающей поверхности, Sэфф - эффективная площадь эталонной антенны. При этом вычисляют соответствующее каждому значению заданной частоты f расстояние между фазовыми центрами эталонной и исследуемой антенн R, измеряют реальное расстояние между фазовыми центрами эталонной и исследуемой антенн Rn, вычисляют разность расстояний R-Rn и перемещают исследуемую антенну вдоль линии, соединяющей фазовые центры эталонной и исследуемой антенн, до тех пор, пока R-Rn=0. Устройство содержит последовательно соединенные генератор сигналов, измеритель мощности и эталонную антенну, а также устройство позиционирования, на котором размещены исследуемая антенна и приемное устройство. При этом в него введены последовательно соединенные устройство измерения дальности, устройство обработки и управления, также формирователь команд управления, выход которого соединен со входом устройства позиционирования, второй выход, второй и третий входы устройства управления соединены со входом генератора сигналов, со вторым выходом измерителя мощности, с выходом приемного устройства через устройство коммутации соответственно, причем устройство измерения дальности размещено на устройстве позиционирования. Технический результат заключается в снижении временных затрат для проведения измерений и повышении точности измерений. 2 н.п. ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к технике антенных измерений и может быть использовано для измерения коэффициента усиления антенн различных радиоэлектронных средств в натурных условиях, в частности в условиях городской застройки. Способ измерения коэффициента усиления антенн в натурных условиях, включающий формирование высокочастотного сигнала и измерение его мощности, отведение части мощности высокочастотного сигнала, излучение сигнала с помощью эталонной антенны в направлении исследуемой антенны, прием исследуемой антенной сигнала, его суммирование с отведенным высокочастотным сигналом, перекрытие области пространства, существенной для распространения радиоволн между антеннами, с учетом соблюдении условия дальней зоны от каждой из антенн до места перекрытия, площадь поперечного сечения которого определяется выражением S>πRэ 2Sin2Dэ/2, где Dэ - ширина диаграммы направленности эталонной антенны, Rэ - расстояние от места перекрытия до эталонной антенны, изменение уровня и фазы отведенного высокочастотного сигнала с целью получения нулевого уровня мощности суммарного сигнала, открытие между антеннами в плоскости поперечного сечения области пространства, существенной для распространения радиоволн. Предложенный способ позволяет снизить погрешность результатов измерений коэффициента усиления антенн радиоэлектронных средств в условиях многолучевого распространения радиоволн. 2 ил.

Отражатель электромагнитных волн для калибровки устройства радиолокационных систем образован соединением поверхностей минимум трех проводящих прямых круговых цилиндров с одинаковым радиусом основания и разной длиной образующих, лежащих в одной плоскости. Причем длина и радиус выбираются с учетом минимальной и максимальной длины электромагнитной волны излучателей антенн радиолокационных систем. Технический результат заключается в упрощении процесса калибровки и сокращении времени ее проведения. 6 ил.
Наверх