Способ определения комплексных амплитуд возбуждения каналов фазированной антенной решетки по измерениям в ближней зоне

Изобретение относится к области радиотехники СВЧ и КВЧ диапазонов, а именно к фазированным антенным решеткам, и может быть использовано в системах радиосвязи, радиопеленгации и радиолокации. Суть способа состоит в том, что перед определением комплексных амплитуд возбуждения каналов фазированной антенной решетки измерительную антенну перемещают в плоскости, параллельной плоскости раскрыва фазированной антенной решетки. Выбирают для проведения измерений комплексных амплитуд возбуждения каналов фазированной антенной решетки сетку измерений, узловые точки которой расположены над антенными элементами фазированной антенной решетки. Разбивают раскрыв фазированной антенной решетки на N одинаковых фрагментов. Выбирают опорный фрагмент из М антенных элементов, расположенных в центре раскрыва фазированной антенной решетки. Число антенных элементов и размеры опорного фрагмента с учетом удаления измерительной антенны от плоскости раскрыва фазированной антенной решетки должны быть заключены в область главного луча измерительной антенны. Переходят к измерениям и перемещают последовательно измерительную антенну от одного антенного элемента опорного фрагмента к другому антенному элементу, останавливая измерительную антенну в узловых точках. Производят измерения комплексных амплитуд возбуждения каналов этого фрагмента фазированной антенной решетки при использовании измерительной антенны в режиме передачи. По результатам измерений калибруют опорный фрагмент фазированной антенной решетки так, чтобы все каналы опорного фрагмента имели одинаковые амплитуды и фазы. Затем устанавливают измерительную антенну в точке, соответствующей фазовому центру опорного фрагмента, и производят измерения комплексных коэффициентов каналов фазированной антенной решетки при неподвижной измерительной антенне. Определяют коэффициенты которые будут в дальнейшем использованы как комплексные нормирующие множители для калибровки остальных N-1 фрагментов. Последовательно устанавливают измерительную антенну в центр каждого n-го фрагмента из N-1 и производят измерения комплексных амплитуд возбуждения каналов этого фрагмента при неподвижной измерительной антенне. Уточняют комплексные амплитуды возбуждения каналов фазированной антенной решетки в фрагменте раскрыва с учетом направленных свойств измерительной антенны, умножая комплексные амплитуды возбуждения каналов этого фрагмента на соответствующие комплексные нормирующие множители и получая искомые комплексные амплитуды возбуждения каналов фазированной антенной решетки Техническим результатом изобретения является выигрыш в быстродействии проводимых измерений и калибровки фазированной антенной решетки. 5 ил.

 

Предлагаемое изобретение относится к области радиотехники СВЧ и КВЧ диапазонов, а именно к фазированным антенным решеткам (ФАР), и может быть использовано в системах радиосвязи, радиопеленгации и радиолокации.

Известен апертурно-зондовый способ измерения амплитудно-фазового распределения в раскрыве фазированной антенной решетки, при котором напряженность поля в различных точках, находящихся непосредственно над антенными элементами, регистрируется механически перемещающимся измерителем поля [1 - Фрадин А.З., Рыжков Е.В. Измерение параметров антенно-фидерных устройств. М.: Связь. 1972. С. 214-215].

Недостатками способа являются:

- высокая трудоемкость измерений;

- высокая суммарная ошибка, связанная с влиянием зонда и механизма его перемещения на параметры антенных элементов, погрешностями позиционирования и взаимным влиянием каналов антенных элементов при измерениях.

Известен способ измерения комплексных амплитуд возбуждения каналов фазированной антенной решетки, включающий генерацию контрольного сигнала сверхвысокой частоты, излучение его неподвижным зондом, прием контрольного сигнала фазированной антенной решеткой при поочередной модуляции фазы сигнала каждого канала фазированной антенной решетки, 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 числовых отсчетов сигнала, поочередно, по одному из каждой серии, считывают цифровые отсчеты сигнала, из полученной последовательности выделяют сигнал коммутируемого канала и вычисляют комплексные амплитуды возбуждения канала [2 - Пат. РФ №2267795. Способ измерения комплексных амплитуд возбуждения каналов фазированной антенной решетки. / Волков С.А., Зайцев Н.А., Наумов С.В. МПК G01R 29/10, 2004].

Недостатками способа являются:

- наличие ошибок измерения фазовых коэффициентов каждого канала вследствие зависимости их от начальной фазы суммарного сигнала, изменяющейся в процессе измерений из-за взаимных перемещений зонда и фазированной антенной решетки, особенно при установке зонда или фазированной антенной решетки вне укрытий, когда они подвержены ветровым нагрузкам;

- высокая сложность и стоимость измерительной аппаратуры, так как при реализации способа требуется фазовая привязка контрольного сигнала сверхвысокой частоты, излучаемого зондом, и сигнала гетеродина для формирования квадратурных составляющих принятого сигнала.

Известны способы измерения комплексной диаграммы направленности (ДН) в ближней зоне антенны, однако в этом случае следует иметь ввиду, что диаграмма направленности корректно определяется в области углов, ограниченной соотношением между расстоянием измерительной антенны от плоскости раскрыва и размером сектора, в котором перемещается измерительная антенна [3 - Методы измерения характеристик антенн СВЧ / Л.Н. Захарьев, А.А. Леманский, В.И. Турчин и др.; Под ред. Н.М. Цейтлина. М.: Радио и связь, 1985. 368 с. С. 165-177].

Основным недостатком этих способов является эффект ограничения размеров области, в которой выполняются измерения ближнего поля, и, как следствие, ограниченность сектора, внутри которого может быть правильно восстановлена ДН.

Известны способы определения распределения комплексных амплитуд, основанные на амплифазометрических измерениях в ближней зоне, решающие основные задачи: выполнение сканирования распределения ближнего поля, передачу СВЧ сигнала от неподвижного генератора к движущейся измерительной антенне, организацию измерительно-вычислительного комплекса и использование соответствующего программного обеспечения [3 - Методы измерения характеристик антенн СВЧ / Л.Н. Захарьев, А.А. Леманский, В.И. Турчин и др.; Под ред. Н.М. Цейтлина. М.: Радио и связь, 1985. 368 с. С. 101-201]. Измерение распределения ближнего поля в амплифазометрических антенных измерениях осуществляется в основном на плоской поверхности сканирования.

Основными недостатками амплифазометрических антенных измерений являются значительное время измерений, обусловленное в том числе и малой скоростью перемещения измерительной антенны, и трудности передачи СВЧ сигнала от поступательно перемещающейся измерительной антенны к неподвижной измерительной установке.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату (прототипом) является способ измерения амплитудно-фазового распределения в раскрыве плоской фазированной антенной решетки с использованием автоматизированного измерительно-вычислительного комплекса, реализующего амплифазометрический способ измерений [4 - Сверхширокополосный автоматизированный измерительно-вычислительный комплекс для измерения СВЧ параметров ТМСА-12Б2 Часть 2 (ближняя зона). Руководство по эксплуатации. С.-П.: ООО НПП «Трим». 2007]. Существо способа заключается в том, что комплексные амплитуды возбуждения каналов фазированной антенной решетки измеряют в ближней зоне в плоскости, параллельной плоскости раскрыва фазированной антенной решетки. При этом сетку измерений согласуют таким образом, чтобы при каждом измерении в узловой точке сетки координаты измерительной антенны и координаты канала фазированной антенной решетки в соответствующих плоскостях совпадали. Измерительную антенну последовательно перемещают от одного канала к другому, в каждой узловой точке выбранной сетки измерений измерительную антенну останавливают и выполняют измерение комплексной амплитуды поля, излучаемого или принимаемого соответствующим каналом. Так как расстояния между измерительной антенной и измеряемым каналом фазированной антенной решетки всегда одинаковы, то измеренное значение амплитуды поля с точностью до постоянного множителя совпадает с амплитудой канала, а плоскость отсчета фаз может выбираться произвольно.

Основным недостатком способа является большое время измерений, связанное с медленным перемещением измерительной антенны, которое наиболее существенно в случае многоэлементных фазированных антенных решеток.

Задачей, на решение которой направлено настоящее изобретение, является сокращение времени на проведение калибровки и измерений комплексных амплитуд возбуждения каналов фазированной антенной решетки.

Для решения указанной задачи предлагается способ определения комплексных амплитуд возбуждения каналов фазированной антенной решетки по измерениям в ближней зоне, в котором измерительную антенну перемещают в плоскости, параллельной плоскости раскрыва фазированной антенной решетки, выбирают для проведения измерений комплексных амплитуд возбуждения каналов фазированной антенной решетки сетку измерений, узловые точки которой расположены над антенными элементами фазированной антенной решетки.

Согласно изобретению, разбивают раскрыв фазированной антенной решетки на N одинаковых фрагментов, выбирают опорный фрагмент из М антенных элементов, расположенных в центре раскрыва фазированной антенной решетки, число которых и размеры опорного фрагмента с учетом удаления измерительной антенны от плоскости раскрыва фазированной антенной решетки должны быть заключены в область главного луча измерительной антенны, перемещают последовательно измерительную антенну от одного антенного элемента опорного фрагмента к другому антенному элементу, останавливая измерительную антенну в узловых точках, и производят измерения комплексных амплитуд возбуждения каналов фазированной антенной решетки при использовании измерительной антенны в режиме передачи, калибруют по результатам измерений опорный фрагмент фазированной антенной решетки так, чтобы все каналы опорного фрагмента имели одинаковые амплитуды и фазы, устанавливают измерительную антенну в точке, соответствующей фазовому центру опорного фрагмента, производят измерения комплексных амплитуд возбуждения каналов фазированной антенной решетки при неподвижной измерительной антенне, определяя комплексные нормирующие множители затем последовательно устанавливают измерительную антенну в центр каждого n-го фрагмента из N - 1 и производят измерения комплексных амплитуд возбуждения каналов этого фрагмента при неподвижной измерительной антенне, уточняют комплексные амплитуды возбуждения каналов фазированной антенной решетки в фрагменте раскрыва с учетом направленных свойств измерительной антенны, умножая комплексные амплитуды возбуждения каналов этого фрагмента на соответствующие комплексные нормирующие множители и получая искомые комплексные амплитуды возбуждения каналов фазированной антенной решетки

Техническим результатом изобретения является выигрыш в быстродействии проводимых измерений и калибровки фазированной антенной решетки.

Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что заявленный способ отличается тем, что изменена совокупность действий, а именно: введены операции:

- разбивают раскрыв фазированной антенной решетки на N одинаковых фрагментов;

- выбирают опорный фрагмент из М антенных элементов, расположенных в центре раскрыва фазированной антенной решетки, число которых и размеры опорного фрагмента с учетом удаления измерительной антенны от плоскости раскрыва фазированной антенной решетки должны быть заключены в область главного луча измерительной антенны;

- перемещают последовательно измерительную антенну от одного антенного элемента опорного фрагмента к другому антенному элементу, останавливая измерительную антенну в узловых точках, производят измерения комплексных амплитуд возбуждения каналов этого фрагмента фазированной антенной решетки при использовании измерительной антенны в режиме передачи;

- калибруют по результатам измерений опорный фрагмент фазированной антенной решетки так, чтобы все каналы опорного фрагмента имели одинаковые амплитуды и фазы;

- устанавливают измерительную антенну в точке, соответствующей фазовому центру опорного фрагмента, производят измерения комплексных амплитуд возбуждения каналов этого фрагмента фазированной антенной решетки при неподвижной измерительной антенне, определяя комплексные нормирующие множители

- последовательно устанавливают измерительную антенну в центр каждого n-го фрагмента из N - 1 и производят измерения комплексных амплитуд возбуждения каналов этого фрагмента при неподвижной измерительной антенне;

- уточняют комплексные амплитуды возбуждения каналов фазированной антенной решетки в фрагменте раскрыва с учетом направленных свойств измерительной антенны, умножая комплексные амплитуды возбуждения каналов этого фрагмента на соответствующие комплексные нормирующие множители и получая искомые комплексные амплитуды возбуждения каналов фазированной антенной решетки.

Изменение совокупности действий, связанных с организацией процесса измерений и введением семи операций, позволяет, по сравнению со способом-прототипом, обеспечить технический результат, заключающийся в выигрыше в быстродействии проводимых измерений и калибровки фазированной антенной решетки при определении комплексных амплитуд возбуждения каналов фазированной антенной решетки.

Сочетание отличительных признаков и свойства заявленного изобретения на способ определения комплексных амплитуд возбуждения каналов фазированной антенной решетки по измерениям в ближней зоне из литературы неизвестно, поэтому оно соответствует критериям новизны и изобретательского уровня.

Сущность заявленного способа поясняется фигурами 1-5.

На фигуре 1 представлена структурная схема устройства, реализующего способ определения комплексных амплитуд возбуждения каналов фазированной антенной решетки по измерениям в ближней зоне.

На фигуре 2 показаны распределения амплитуд каналов в центральной горизонтальной линейке, а на фигуре 3 - соответствующие фазовые распределения.

На фигурах 4, 5 представлены ДН, формируемые при помощи распределений поля, полученные при помощи способа-прототипа и заявленного способа.

При реализации заявленного способа определения комплексных амплитуд возбуждения каналов фазированной антенной решетки по измерениям в ближней зоне выполняют следующую последовательность операций:

- измерительную антенну перемещают в плоскости, параллельной плоскости раскрыва фазированной антенной решетки - 1;

- выбирают для проведения измерений комплексных амплитуд возбуждения каналов фазированной антенной решетки сетку измерений, узловые точки которой расположены над антенными элементами фазированной антенной решетки - 2;

- разбивают раскрыв фазированной антенной решетки на N одинаковых фрагментов - 3;

- выбирают опорный фрагмент из М антенных элементов, расположенных в центре раскрыва фазированной антенной решетки, число которых и размеры опорного фрагмента с учетом удаления измерительной антенны от плоскости раскрыва фазированной антенной решетки должны быть заключены в область главного луча измерительной антенны - 4;

- перемещают последовательно измерительную антенну от одного антенного элемента опорного фрагмента к другому антенному элементу, останавливая измерительную антенну в узловых точках, производят измерения комплексных коэффициентов возбуждения каналов этого фрагмента фазированной антенной решетки при использовании измерительной антенны в режиме передачи - 5;

- калибруют по результатам измерений опорный фрагмент фазированной антенной решетки так, чтобы все каналы опорного фрагмента имели одинаковые амплитуды и фазы - 6;

- устанавливают измерительную антенну в точке, соответствующей фазовому центру опорного фрагмента, производят измерения комплексных амплитуд возбуждения каналов фазированной антенной решетки при неподвижной измерительной антенне, определяя комплексные нормирующие множители

- последовательно устанавливают измерительную антенну в центр каждого n-го фрагмента из N-1 и производят измерения комплексных амплитуд возбуждения каналов этого фрагмента при неподвижной измерительной антенне - 8;

- уточняют комплексные амплитуды возбуждения каналов фазированной антенной решетки в фрагменте раскрыва с учетом направленных свойств измерительной антенны, умножая комплексные амплитуды возбуждения каналов этого фрагмента на соответствующие комплексные нормирующие множители и получая искомые комплексные амплитуды возбуждения каналов фазированной антенной решетки

Устройство, реализующее способ определения комплексных амплитуд возбуждения каналов фазированной антенной решетки по измерениям в ближней зоне, в режиме приема (фиг. 1) построено на основе структурной схемы сверхширокополосного автоматизированного измерительно-вычислительного комплекса для измерения СВЧ параметров [4, с. 15]. В его состав входят: сканер 1, передатчик (генератор контрольного сигнала) (ПРД) 2, измерительная антенна (ИА) 3, фазированная антенная решетка (ФАР) 4, подключенная ко входу приемника (ПРМ) 5. К выходу приемника подключен вход персонального компьютера (ПК) 6. Первый вход-выход синхронизации приемника 5 соединен со входом-выходом синхронизации передатчика 2. Персональный компьютер 6 посредством контроллера сканера (КС) 7 присоединен к исполнительным механизмам приводов сканера 1. Второй вход-выход синхронизации приемника 5 предназначен для обмена информацией с контроллером сканера 7. Управление контроллером сканера 7 может производиться от пульта дистанционного управления (ПДУ) 8.

Способ определения комплексных амплитуд возбуждения каналов фазированной антенной решетки по измерениям в ближней зоне для ФАР в режиме приема реализуется следующим образом.

Перед началом измерений плоскость движения измерительной антенны 3 и плоскость измеряемой ФАР 4 (фиг. 1) устанавливаются так, чтобы перемещение измерительной антенны 3 выполнялось в плоскости XY, параллельной раскрыву ФАР 4, а эта плоскость была удалена от плоскости раскрыва ФАР на 2…3 длины волны. Выполняется ориентация вектора напряженности электрического поля Е и выбирается положение измерительной антенны 3. Выбирается сетка для проведения измерений комплексных амплитуд возбуждения каналов ФАР 4 таким образом, чтобы ее узловые точки были расположены над антенными элементами ФАР 4.

Перед началом измерений разбивают раскрыв ФАР 4 на N одинаковых фрагментов.

Управление сканером 1 на этом этапе подготовки к измерениям выполняется в ручном режиме при помощи пульта дистанционного управления 8.

Выбирают опорный фрагмент из М антенных элементов, расположенных в центре раскрыва ФАР 4. Число антенных элементов, входящих в опорный фрагмент и его размеры выбираются с учетом удаления ИА 3 от плоскости раскрыва ФАР 4. Антенные элементы фрагмента должны быть заключены в область главного луча ИА 3. Так, при удалении ИА 3 от плоскости раскрыва ФАР 4 на 2…3 длины волны при ширине луча ИА 3, равной ±30°, в освещаемую измерительную область попадают более девяти антенных элементов ФАР 4.

В соответствии с заданной программой ИА 3 последовательно перемещается от одного антенного элемента опорного фрагмента к другому антенному элементу, останавливаясь в узловых точках, которые, как указано выше, располагаются непосредственно над антенными элементами, и производятся измерения комплексных коэффициентов возбуждения каналов ФАР 4 при функционировании ИА 3 в режиме передачи. При этом формируемые передатчиком 2 сигналы излучаются ИА 3 в направлении исследуемой ФАР 4, принимаются соответствующими антенными элементами и передаются на масштабно-временное преобразование в приемник 5, оцифровываются и поступают в персональный компьютер 6 для их дальнейшей обработки.

Последовательное перемещение ИА 3 от одного антенного элемента опорного фрагмента к другому антенному элементу, остановка сканера 1 для размещения ИА 3 в узловых точках и проведение измерений комплексных коэффициентов возбуждения каналов ФАР 4 выполняются под управлением специального программного обеспечения.

По результатам измерений комплексных коэффициентов возбуждения каналов опорного фрагмента ФАР 4 в ПК 6 производится калибровка так, чтобы сигналы, соответствующие комплексным коэффициентам возбуждения каналов опорного фрагмента ФАР 4, имели одинаковые амплитуды и фазы.

Затем ИА 3 устанавливается в точке, соответствующей фазовому центру выбранного опорного фрагмента ФАР 4, и производятся измерения комплексных коэффициентов возбуждения каналов ФАР 4 этого фрагмента при неподвижной ИА 3. Комплексные коэффициенты в ПК 6 запоминаются как комплексные нормирующие множители.

В дальнейшем ИА 3 устанавливается в точке, соответствующей фазовому центру каждого n -го фрагмента из N-1, и производятся измерения комплексных коэффициентов возбуждения каналов соответствующего фрагмента ФАР 4 при неподвижной ИА 3, формируется массив сигналов, который записывается в ПК 6. Уточненные комплексные амплитуды возбуждения каналов в соответствующем фрагменте раскрыва определяются путем умножения измеренных комплексных коэффициентов возбуждения каналов на соответствующие комплексные нормирующие множители и сохраняются в массиве комплексных амплитуд возбуждения каналов для дальнейшей обработки.

Для обоснования предлагаемого способа рассмотрим основные соотношения, связывающие распределение поля в ближней зоне фазированной антенной решетки и комплексные амплитуды возбуждения каналов ФАР.

Распределение поля в раскрыве плоской ФАР получают для выполнения последующей калибровки каналов, а также для определения отказавших каналов.

Диаграмма направленности (ДН) М -элементной ФАР связана с амплитудно-фазовым распределением в раскрыве ФАР дискретным преобразованием Фурье

где - комплексная амплитуда канала;

- комплексная ДН канала в составе ФАР;

- углы соответственно в угломестной и азимутальной плоскостях.

Отсюда следует, что по результатам измерения комплексной ДН в дальней зоне принципиально возможно найти комплексные амплитуды возбуждения каналов ФАР, если рассматривать выражение (1) как систему уравнений относительно неизвестных комплексных амплитуд

Однако при измерениях ДН ФАР в дальней зоне трудно избежать ошибок измерения, которые связаны с влиянием окружающих предметов и многочисленными переотражениями сигналов.

Разместим измерительную антенну в плоскости z=h, а раскрыв ФАР -в плоскости z=0 декартовой системы координат.

Для определенности будем считать, что к измерительной антенне подключен передатчик, и она работает в передающем режиме (фиг. 1).

Пусть координаты точки источника (х', y', h), а координаты точки наблюдения - (х, у, 0). В объеме, охватывающем передающую измерительную антенну, существуют распределения комплексных амплитуд объемных плотностей электрического и магнитного токов

Напряженность электрического поля, создаваемая измерительной антенной в точке (х, у, 0), определяется выражениями:

где ω - круговая частота;

- электрическая и магнитная проницаемости;

- расстояние между точками источника и наблюдения.

При проведении измерений в ближней зоне в качестве измерительных антенн обычно используются линейно поляризованные антенны горизонтальной или вертикальной поляризации. Поэтому в дальнейшем, не нарушая общности рассуждений, будем полагать, что от нуля отличаются только составляющие Кроме того, в выражении (3) объемные интегралы можно заменить интегрированием в плоскости z=h.

Отсюда следует, что

где G=exp(-ikr)/(4πr) - функция Грина.

Производная функции Грина G по координате х определяется выражением:

Аналогично

Найдем вторые производные и смешанные производные

При размещении измерительной антенны над точкой наблюдения (х, у, 0) получим х-х'=у-у'=0 и

Считаем в первом приближении, что измерительная антенна является изотропной. Тогда амплитуда поля в точке наблюдения при возбуждении тока, ориентированного в горизонтальной плоскости, равна

Аналогичное выражение соответствует возбуждению источника, имеющего вертикальную поляризацию.

Из выражения (12) видно, что напряженность поля (его амплитуда и фаза) в точке наблюдения зависит только от расстояния h между плоскостями z=0 и z=h. При проведении измерений известным способом плоскость отсчета фаз выбирается произвольно, а результаты измерений амплитуд нормируются.

Получим соответствующее выражение для поля при смещении измерительной антенны относительно точки наблюдения, т.е. при x≠х', y≠y'

Отсюда следует, что смещение по горизонтали точки наблюдения относительно точки источника приводит к изменению амплитуды и фазы напряженности поля. Наша задача состоит в том, чтобы компенсировать это изменение и по результатам измерений с неподвижной измерительной антенной получить распределение напряженности поля в заданных узловых точках, с точностью до постоянного множителя соответствующее измерениям при размещении измерительной антенны над узловыми точками.

Это достигается, если результаты измерений при неподвижной измерительной антенне для соответствующего m-го канала антенной решетки умножить на комплексный нормирующий множитель, равный отношению

Очевидно, что при использовании в качестве измерительной антенны направленной антенны принципиально изменится только размер «освещаемой» области раскрыва ФАР. Направленные свойства измерительной антенны и каналов ФАР будут влиять на результаты измерений и компенсируются при помощи комплексных нормирующих множителей (14).

В теоретической модели рассматривается возможность пересчета результатов измерений для освещенной области раскрыва (фрагмента) при помощи комплексных нормирующих множителей _. Если раскрыв не откалиброван, то для разных фрагментов раскрыва комплексные нормирующие множители будут существенно отличаться. В связи с этим необходимо выполнить калибровку одного фрагмента раскрыва, который станет опорным. Комплексные нормирующие множители , полученные для каналов опорного фрагмента, можно использовать и для других фрагментов раскрыва. Погрешности измерений могут возникать, главным образом, на краю раскрыва. Однако для многоэлементных фазированных антенных решеток влияние крайних элементов на результирующую диаграмму направленности несущественно.

Калибровка опорного фрагмента выполняется по результатам измерений распределения поля в выбранном фрагменте известным способом согласно прототипу изобретения. После этого измеряются напряженности для откалиброванного фрагмента и вычисляются комплексные нормирующие множители _. В дальнейшем применение найденных коэффициентов к другим фрагментам раскрыва позволяет оценить амплитуды и фазы каналов для неоткалиброванной части раскрыва ФАР и выполнить калибровку всей антенны.

При выполнении антенных измерений в ближней зоне плоскость движения измерительной антенны удалена от плоскости раскрыва на 2…3 длины волны. Если ширина луча измерительной антенны составляет ±30°, то в освещаемую измерительную область попадают более девяти антенных элементов ФАР. Это позволяет значительно (на порядок) сократить число остановок сканера.

Произведено сопоставление результатов экспериментальных исследований по определению амплитудно-фазового распределения в раскрыве ФАР заявляемым способом и известным способом (прототипом) с использованием ФАР с числом антенных элементов, превышающим 4*10³. Общее представление о качестве калибровки по амплитудно-фазовому распределению сделать достаточно сложно. Это связано с тем, что и уровни нормировки амплитуд, и плоскости отсчета фаз в результатах поканального измерения поля и в результатах расчета амплитудно-фазового распределения по результатам измерений поля фрагментами раскрыва ФАР различны. В связи с этим в качестве иллюстрации эффективности предлагаемого способа можно рассматривать распределения поля в отдельных линейках излучателей ФАР, а также формируемые раскрывом ФАР ДН.

На фиг. 2 приведены распределения амплитуд в центральной горизонтальной линейке, соответствующие поканальному съему амплитудного распределения по известной методике (под номером 9) [4], а также результатам измерений поля по фрагментам ФАР (под номером 10). На фиг. 3 приведены соответствующие фазовые распределения (под номерами 11 и 12).

На фиг. 4 и фиг. 5 представлены ДН в ортогональных сечениях. Кривая 13 соответствует ДН в горизонтальном сечении, полученной при помощи известной методики [4], кривая 14 - ДН, построенной на основе измерений предлагаемым способом. Кривые 15 и 16 обозначают ДН в вертикальном сечении и получены по известной методике и предлагаемым способом.

Анализ результатов позволяет заключить, что предлагаемый способ обеспечивает хорошую точность воспроизведения ДН: положения основных «нулей» и максимумов ДН совпали, ширина лучей идентична. Все это подтверждает соответствие заявляемого способа критерию «промышленная применимость».

Теперь оценим выигрыш от реализации предлагаемого способа на примере ФАР, состоящей из 4000 элементов (200 по горизонтали и 20 - по вертикали). Для измерительного стенда время перемещения измерительной антенны по горизонтали от одной вертикальной линейки до соседней составляло t_x=4,2 с, а по вертикали - t_y=1,4 с. Время проведения измерений в режиме передачи и приема составляло τ_t=4,5 с и τ_r - 2,25 с.

Это означает, что время проведения измерений распределения комплексных амплитуд в каналах ФАР согласно прототипу в режиме передачи и приема составляет:

Предположим, что фрагмент раскрыва составляет 8×8 излучателей. Тогда время измерения нормирующих коэффициентов калиброванного фрагмента существующим способом составит

Длина пути измерительной антенны при реализации предлагаемого способа существенно изменится. Началом траектории измерительной антенны можно считать центральную точку опорного фрагмента. Этот фрагмент не является крайним. Можно считать, что он является вторым по вертикали и горизонтали от одного из угловых фрагментов раскрыва. После перемещения из центра опорного фрагмента в начальную точку (центр одного из угловых фрагментов) прохода измерительной антенны вдоль всего раскрыва, измерительная антенна движется к ближайшему фрагменту по вертикали. После прохода всех вертикальных фрагментов измерительная антенна смещается по горизонтали и снова движется по вертикали. При этом опорный фрагмент повторно не измеряется. В приемном режиме измерения осуществляются параллельно для всех каналов фрагмента. Поэтому выигрыш в быстродействии будет значительным для приемной ФАР.

По горизонтали ФАР разбивается на 25 фрагментов, а по вертикали -на 3. При этом время проведения измерений предлагаемым способом оценивается по формулам:

С учетом заданных временных интервалов получим:

T_t=6 часов 42 минуты 11 секунд;

Т_r=4 часа 12 минут 11 секунд;

Т_Ct=6 минут 26 секунд;

Т_Сr=4 минуты 2 секунды;

Т'_t=5 часов 4 минуты 41 секунда;

Т'_r=0 часов 9 минут 51 секунда.

Таким образом, предлагаемый способ позволяет обеспечить выигрыш при проведении измерений, равный

- для передающей ФАР;

- для приемной ФАР;

- для приемо-передающей ФАР.

Выигрыш в быстродействии зависит от числа элементов ФАР и размеров фрагментов, на которые разбивается исходный раскрыв.

Таким образом, из результатов моделирования и проведенных экспериментальных исследований следует, что заявляемый способ позволяет определять комплексные амплитуды возбуждения каналов фазированной антенной решетки, состоящей из нескольких тысяч каналов, по измерениям в ближней зоне, а техническим результатом его применения является сокращение времени на проведение измерений и калибровки фазированной антенной решетки.

Способ определения комплексных амплитуд возбуждения каналов фазированной антенной решетки по измерениям в ближней зоне, в котором измерительную антенну перемещают в плоскости, параллельной плоскости раскрыва фазированной антенной решетки, выбирают для проведения измерений комплексных амплитуд возбуждения каналов фазированной антенной решетки сетку измерений, узловые точки которой расположены над антенными элементами фазированной антенной решетки, отличающийся тем, что разбивают раскрыв фазированной антенной решетки на N одинаковых фрагментов, выбирают опорный фрагмент из M антенных элементов, расположенных в центре раскрыва фазированной антенной решетки, число которых и размеры опорного фрагмента с учетом удаления измерительной антенны от плоскости раскрыва фазированной антенной решетки должны быть заключены в область главного луча измерительной антенны, перемещают последовательно измерительную антенну от одного антенного элемента опорного фрагмента к другому антенному элементу, останавливая измерительную антенну в узловых точках, производят измерения комплексных амплитуд возбуждения каналов этого фрагмента фазированной антенной решетки при использовании измерительной антенны в режиме передачи, калибруют по результатам измерений опорный фрагмент фазированной антенной решетки так, чтобы все каналы опорного фрагмента имели одинаковые амплитуды и фазы, устанавливают измерительную антенну в точке, соответствующей фазовому центру опорного фрагмента, производят измерения комплексных амплитуд возбуждения каналов E'_m фазированной антенной решетки при неподвижной измерительной антенне, определяя комплексные нормирующие множители С_m=1/Е'_m, последовательно устанавливают измерительную антенну в центр каждого n-го фрагмента из N-1 и производят измерения комплексных амплитуд возбуждения каналов А_n,m этого фрагмента при неподвижной измерительной антенне, уточняют комплексные амплитуды возбуждения каналов Е_n,m фазированной антенной решетки в фрагменте раскрыва с учетом направленных свойств измерительной антенны, умножая комплексные амплитуды возбуждения каналов А_n,m этого фрагмента на соответствующие комплексные нормирующие множители С_m=1/Е'_m и получая искомые комплексные амплитуды возбуждения каналов фазированной антенной решетки Е_n,m= А_n,mС_m.